РИА Сибирь

от 25 .03.2020 г.

Оригинал статьи


Новосибирские ученые создают лазер для биомедицинской диагностики

В Институте вычислительных технологий СО РАН совместно с двумя научными организациями новосибирского Академгородка идут работы над медицинским прибором нового поколения.

Современная медицина всё больше применяет неинвазивные методы диагностики, наиболее известными из которых являются томография и УЗИ. Но они позволяют выявить признаки патологии на уровне целого органа или его части, а в ряде ситуаций важно обследовать отдельно взятые клетки или даже молекулы. Инструментом микроскопического уровня станет волоконный лазер, создаваемый в рамках интеграционного проекта с участием Института вычислительных технологий СО РАН, Института автоматики и электрометрии СО РАН и Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН при поддержке министерства науки и высшего образования РФ.

«Получать изображение микроуровня тканей, контуров и «содержимого» клеток позволяет, в принципе, лазерный источник, генерирующий ультракороткие импульсы с длиной волны вблизи 1,3 микрометра для многофотонной флуоресценции, - сказала научный сотрудник Института вычислительных технологий, кандидат физико-математических наук Анастасия Беднякова. - Названная длина волны попадает в так называемое окно прозрачности воды, в котором обеспечивается существенно большая глубина проникновения излучения в исследуемый материал и, таким образом, возможна визуализация биологических объектов микронного же размера на достаточной глубине от поверхности тела».

Для ученых важно создать такой лазер, чтобы не допустить термического повреждения живой ткани во время диагностической процедуры.

«Импульсы лазера должны быть очень короткими, суб-пикосекундной или фемтосекундной длительности, - отметила Анастасия Беднякова. - И при этом они должны обладать высокой пиковой мощностью. До недавнего времени волоконные источники фемтосекундных импульсов с длиной волны генерации вблизи 1,3 микрометра существовали только в проектах. Теперь волоконный лазер с подобными характеристиками создан в Институте автоматики и электрометри. Почему именно волоконный? Это один из наиболее молодых и бурно развивающихся типов лазеров. Они обладают высоким качеством и стабильностью излучения, не требовательны в обслуживании, а главное – компактны, что особо важно для медицины: в перспективе речь может идти о выпуске портативных приборов».

Если снаружи лазер в упакованном виде выглядит как коробочка, то внутри он гораздо сложнее, это, как говорят его создатели, «многопараметрическая нелинейная физическая система».

«Создание конкретных экспериментальных приборов требует длительного научного поиска, который зачастую нельзя реализовать в эксперименте в силу дороговизны или отсутствия необходимых компонентов, а также большого количества оптимизационных параметров. Другой проблемой является ограниченное разрешение экспериментальных измерительных инструментов и отсутствие возможности напрямую снимать внутрирезонаторные характеристики излучения. То есть создан прибор с несколькими базовыми характеристиками, но многое из его «внутренней жизни» (а мы говорим о перспективном воздействии на тело человека) нам не известно или не понятно – например, возможности дальнейшего улучшения характеристик импульса и фундаментальные ограничения на них. Поэтому на этапе создания и оптимизации новых волоконных лазеров эффективным решением является использование методов математического моделирования. Наш институт отвечает как раз за моделирование и за теоретическую часть в целом, ИАиЭ – за прибор как таковой и его экспериментальные исследования, ИХБФМ станет проводить эксперименты на биологических объектах», - пояснила Анастасия Беднякова.

Уже построена численная модель волоконного лазера. Можно назвать её «цифровым двойником» лазерной установки, построенной учеными из Института автоматики и электрометрии. С помощью модели ученые наблюдают распространение оптического импульса внутри лазерного резонатора, что позволяет оптимизировать его характеристики в соответствии с предъявляемыми требованиями, использовать для цифрового проектирования.

Источник: http://www.ict.nsc.ru/ru/