Согласно данным в период с 2020 по 2024 год, количество хирургических операций в российских стационарах увеличилось на 34% — с 13,5 до 18,1 миллиона. Чаще всего вмешательства проводятся в областях сердечно-сосудистой хирургии, травматологии, ортопедии, нейрохирургии, урологии и онкологии. В современных хирургических процедурах традиционные лампы все чаще заменяют оптоволокном – тонкими «световодами», которые позволяют обеспечить освещение труднодоступных зон, таких как области, расположенные за органами, или узкие каналы при эндоскопических манипуляций. Однако, данный метод имеет существенный недостаток: из-за специфической структуры оптоволокна свет распределяется не равномерно. Это снижает качество видимости во время операции и увеличивает вероятность травмирования сосудов или нервов. Также, неравномерное распределение светового потока может спровоцировать локальный перегрев тканей. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха создали математическую модель, позволяющую оценить равномерность и интенсивность светового излучения по всей длине оптоволокна. Это позволяет увеличить эффективность освещения во время операций вдвое. Данная разработка будет полезна в медицинских зондах, используемых для хирургических процедур, где необходимо точное освещение, а также в волоконно-оптических датчиках. Это позволит хирургам выполнять операции с большей точностью и безопасностью, уменьшая риски для пациентов.
Статья опубликована в журнале «Photonics» за 2025 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ.
В современной медицине, в особенности в хирургии, невозможно представить работу без оптоволокна – это тонкие нити из кварцевого стекла, предназначенные для передачи света. По данным аналитиков, в настоящее время наблюдается значительный рост спроса на этот товар, при этом ежегодно рынок расширяется на 8–9%.
Медицинское оптоволокно вводят в организм через небольшие разрезы для точного освещения места операции. В отличие от традиционных ламп, оно не перегревается, обладает гибкостью как у проволоки и направляет свет в нужную область. Эта технология находит широкое применение в гастроэнтерологии, урологии, эндоскопии (диагностике внутренних органов), лазерной хирургии и фотодинамической терапии опухолей.
Некорректный выбор параметров оптических волокон приводит к рассеянию световых лучей. В хирургии это особенно важно: неравномерное распределение освещения затрудняет видимость отдельных участков операционного поля. Определение границ тканей, сосудов или опухолей становится значительно сложнее. В эндоскопических процедурах это проявляется в виде бликов, теней и «слепых зон» на мониторе, что может привести к упущению важных деталей, таких как начавшееся кровотечение или границы новообразования. При использовании лазеров неравномерное распределение энергии приводит к локальным перегревам, и вместо точного разреза существует риск повреждения здоровых тканей. Поэтому крайне необходимо обеспечить равномерный световой поток и минимизировать подобные риски.
Разработка ученых Пермского Политеха основана на использовании структуры из микрополостей различной формы, которая формируется внутри оптоволокна посредством оптического пробоя – воздействия лазерными импульсами. Эти полости обычно бывают трех видов: овальные (эллиптические), круглые (сферические) и пулеобразные. Эффективность рассеяния света определяется формой, диаметром и периодичностью расположения этих полостей.
Специалисты ПНИПУ разработали математическую модель, позволяющую прогнозировать поведение света в оптическом волокне, содержащем микрополости различных типов. Был создан виртуальный аналог, и с помощью программного обеспечения проведено исследование влияния размера, формы и расположения этих полостей на распределение световых лучей.
– Используя разработанную нами модель, были определены оптимальные параметры полостей в медицинском оптоволокне. В частности, для сферических полостей наилучшие результаты продемонстрировали диаметры в диапазоне 3,6–4,4 мкм (микрометров) и 7,5–8,0 мкм с периодом 12,76 мкм. Для эллиптических полостей – это длины 10–12 мкм и диаметры 5,0–6,6 мкм. Указанные характеристики позволяют добиться наиболее равномерного распределения светового потока с минимальными потерями мощности, – комментирует Анатолий Перминов, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Оптимизированные микрополости, интегрированные в медицинское оптоволокно, обеспечивают точную настройку светового воздействия в соответствии с конкретными задачами. Сферические микрополости диаметром 3,6–4,4 мкм подходят для проведения высокоточных офтальмологических и онкологических процедур, 7,5–8,0 мкм — для эндоскопии с обеспечением равномерного освещения, а эллиптические (10–12 мкм или 5–6,6 мкм) демонстрируют эффективность в фотодинамической терапии рака. Такая геометрия и расположение микрополостей в волноводе способствует равномерному распределению света по оперируемой области, что минимизирует вероятность ошибок во время хирургических манипуляций.
Разработанная учеными Пермского Политеха математическая модель позволяет увеличить эффективность оптоволоконного рассеивателя вдвое. Эта разработка совершенствует существующие технологии и создает основу для дальнейших исследований в области оптики и фотоники.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ