УЗ технологии будущего: преобразование ультразвуковой волны в оптический сигнал

Группа исследователей из Сельскохозяйственного и инженерного университета Техаса (Texas A&M University), включающая профессора факультета биомедицинской инженерии, создала новый высокотехнологичный материал, который может коренным образом изменить качество и разрешение изображений, получаемых с помощью ультразвука.

Материал, который преобразует ультразвуковые волны в оптические сигналы, используемые для получения изображения, создан совместными усилиями профессора Владислава Яковлева (Сельскохозяйственный и инженерный университет Техаса) и исследователей Королевского колледжа в Лондоне (King’s College London), Университета Королевы в Белфасте (Queen’s University of Belfast) и Массачусетского университета в Лоуэлле (University of Massachusetts Lowell). Результаты данного исследования опубликованы в рецензируемом научном журнале «Advanced Materials».

Профессор Яковлев c прототипом датчика, преобразующего УЗ волны в оптические сигналы.

Композиционный материал, относящийся к категории «метаматериалов», обладает рядом важных преимуществ по сравнению с традиционной УЗ технологией, в основе которой лежит преобразование ультразвуковых волн в электрические сигналы, рассказывает Яковлев. Хотя традиционная технология совершенствовалась на протяжении многих лет, она по-прежнему имеет ряд ограничений, связанных с диапазоном частот и чувствительностью. Эти ограничения становятся главным препятствием, когда речь идет о получении высококачественных изображений, которые могут служить мощным средством диагностики.

Метаматериал, разработанный Яковлевым и его коллегами, лишен этих недостатков, поскольку он преобразует ультразвуковые волны не в электрические, а в оптические сигналы. Оптическая обработка сигналов позволяет избежать ограничений, связанных с диапазоном частот и чувствительностью датчика (преобразователя), что важно для получения изображений высокой четкости, — говорит Яковлев.

Высокая пропускная способность позволяет отслеживать изменения расстояния акустических волн с высокой точностью, — отмечает Яковлев. — Это дает возможность получить очень детальное изображение. Повышение чувствительности увеличивает глубину проникновения в ткани, а это означает, что у нас появляется возможность генерировать изображения, которые невозможно получить с помощью традиционной ультразвуковой технологии.

Иными словами, новый материал позволит ультразвуковым сканерам видеть то, что они не могли видеть до сих пор. Данное усовершенствование могло бы значительно усилить возможности ультразвука, который на сегодняшний день имеет различные биомедицинские области применения. Помимо рутинных исследований при визуализации плода и оказании неотложной медицинской помощи, ультразвук применяется для диагностики в травматологии, и даже в качестве средства для разрушения тканей, а также для ускорения действия лекарственной терапии.

Оптический сигнал, представленный красной стрелкой, входит в контакт с метаматериалом.

Под воздействием ультразвуковой волны оптический сигнал в метаматериале изменяется и впоследствии обрабатывается для получения изображения высокого качества.

Хотя результаты исследований Яковлева пока не готовы для практического применения, они наглядно показывают, что использование нового материала, созданного его командой ученных, может качественно улучшить традиционную технологию УЗИ.

Новый материал, рассказывает Яковлев, состоит из золотых наностержней, встроенных в полимер, известный под названием полипиррол. Оптический сигнал направляется в этот материал, где взаимодействует с входящими ультразвуковыми волнами и изменяется под их воздействием до прохождения через материал. Затем измененный сигнал считывается датчиком, который анализирует изменения его оптических свойств для формирования изображения высокого разрешения, объясняет Яковлев.

Мы разработали материал, который обеспечивает оптическую обработку ультразвуковых сигналов и не имеет аналогий в природе, — говорит Яковлев. — Его свойства уникальны. Отличаясь повышенной чувствительностью в широком диапазоне частот, он позволяет работать в диапазоне 0-150 МГц без ущерба чувствительности. При использовании традиционной технологии при частоте около 50 МГц чувствительность заметно снижается. Новый метаматериал дает возможность конвертировать акустические волны в оптические сигналы, не ограничивая диапазон частот датчика, и первой сферой его практического применения станет биомедицинская индустрия.

Соавторами Яковлева при проведении данной работы являются Уэйн Диксон и Анатолий Заяц из Королевского колледжа в Лондоне; Джон МакФиллипс, Энтони Мерфи и Роберт Поллард из Университета Королевы в Белфасте; и Виктор Подольский из Массачусетского университета в Лоуэлле.