Симфония кровотока: как услышать организм с помощью оптоакустики? Интервью с физиком П.В. Субочевым

Оптоакустика позволяет буквально слышать свет: короткий лазерный импульс на мгновение нагревает клетки и сосуды на долю градуса, заставляя их расширяться и генерировать акустическую волну. Пока мировые технологические гиганты только начинают внедрять подобные системы, в Нижнем Новгороде группа ученых под руководством физика Павла Субочева уже создала уникальную широкополосную антенну с 512 «ушами», способную улавливать тончайший ультразвуковой отклик организма. Подробнее об этой разработке и об оптоакустике в целом ученый рассказал корреспонденту «Научной России».

Справка: Павел Владимирович Субочев — ведущий российский ученый в области оптоакустики, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ультразвуковой и оптоакустической диагностики Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород). Под его руководством создана уникальная 512-элементная пьезополимерная оптоакустическая антенна, сочетающая высокую чувствительность, сверхширокую полосу приема и возможность трехмерной томографии сосудов и тканей в режиме реального времени.

— Правда ли, что с помощью оптоакустики можно буквально услышать то, что происходит в организме?

— Да. Суть оптоакустического метода заключается в гибридном подходе: мы зондируем объект оптическим излучением и принимаем обратно ультразвук. Каждый из нас сталкивался с похожим эффектом в своей жизни: достаточно вспомнить молнию и гром.

Звук в атмосфере распространяется со скоростью примерно 1 км / 3 с, и по интервалу между вспышкой света и громом можно определить расстояние до источника. Примерно то же самое мы делаем в лаборатории, только вместо молнии используем лазерный импульс, а вместо грома рождается ультразвук.

Если говорить о молнии, то все измеряется километрами, в то время как в биологических тканях мы работаем с микрометрами и миллиметрами. Так что оптоакустика действительно позволяет нам услышать свет и увидеть скрытые хромофоры внутри человеческого организма.

— Что такое хромофоры?

— Хромофор — это вещество, поглощающее свет. Самым ярким примером может служить гемоглобин, который находится либо в связанном с кислородом состоянии, либо в не связанном с ним. Оптоакустика позволяет услышать гемоглобин. Мы воздействуем на поверхность биоткани наносекундным лазерным импульсом, и на мгновение все хромофоры в зоне нашего интереса разогреваются — возникает так называемый термоупругий эффект. Мы используем его в быту, когда нагреваем тугую крышку банки, чтобы она расширилась и легче открывалась. А в лаборатории мы разогреваем ткани всего на долю градуса, но этого расширения достаточно, чтобы возникла акустическая волна.

— А что вы нагреваете чаще всего: эритроциты или сами сосуды?

— Лучше всего в оптоакустике видны именно сосуды. Но так как окси- и дезоксигемоглобин по-разному поглощают свет (мы со школьных времен знаем, что артериальная и венозная кровь разного цвета), мы можем слышать кровь разного цвета внутри сосудов. Кроме того, с помощью оптоакустики можно увидеть липиды: они имеют свой спектр поглощения на определенных длинах волн лазера. Это крайне важно для медицины, так как липиды могут откладываться на стенках сосудов. Виден также и меланин.

Наш метод сочетает в себе преимущества обыкновенной оптики (высокий молекулярный контраст) и ультразвука (глубину и хорошее пространственное разрешение). Гибридный подход выгодно отличает этот метод от традиционной компьютерной томографии или обычного УЗИ.

— Мне так сложно это представить… как можно услышать сосуды?

— Неудивительно, ведь обычным человеческим ухом это не уловить: масштабы слишком малы. Чем меньше объект, тем более высокочастотный ультразвук он генерирует. Сосуды бывают разные: от крупных артерий до крошечных капилляров, и все они звучат в разных диапазонах. Это похоже на концерт органной музыки, да и сами сосуды, обладающие разным калибром, похожи не на что иное, как на тубы органа. У человека есть барабанная перепонка — чувствительный широкополосный инструмент, позволяющий слышать и толстые, и тонкие трубы концертного органа одновременно.

Чтобы услышать «симфонию» наших сосудов, нам пришлось разработать искусственную «барабанную перепонку» для ультразвука — высокочувствительный гидрофон на основе тонкой пьезополимерной пленки.

Затем мы пошли дальше и создали многоэлементную антенну, в которую встроено сразу 512 таких «микроушей»! Это позволяет получать в режиме реального времени трехмерную томографическую картину. Имея два уха, мы можем определить направление до источника звука, а имея 512 — точно локализовать объект в пространстве и времени.

— Насколько большие участки организма можно изучить с помощью такой антенны?

— Все зависит от задачи. Главное ограничение — глубина проникновения фотонов. Если мы возьмем обычный фонарик смартфона и приложим к пальцу, то увидим, что через ткани пробиваются только красные кванты света. В инфракрасном диапазоне свет проходит еще глубже, на несколько сантиметров. Здесь всегда есть компромисс: если нам нужно посмотреть на глубину 2 мм, мы используем зеленый лазер, так как он дает максимальный контраст по крови. Если же нужно уйти на глубину в несколько сантиметров, переходим в инфракрасный диапазон, жертвуя частью контраста. Наша антенна широкополосная, поэтому она универсальна. 

В первом приближении здесь работает простой масштабный закон: чем глубже мы смотрим, тем грубее становится разрешение. На миллиметровых и сантиметровых глубинах речь может идти о десятках и сотнях микрон, а на больших глубинах — уже о субмиллиметровом или миллиметровом масштабе. Конкретные цифры зависят от длины волны лазера, ткани, геометрии эксперимента и чувствительности приемника.

— Правда ли, что ваша антенна — самая высокочувствительная и миниатюрная в мире?

— Это не совсем так. Существуют антенны и более чувствительные, но наша разработка уникальна тем, что она самая чувствительная именно среди широкополосных устройств. Каждый ее элемент слышит в диапазоне от 300 кГц до 30 МГц. Это ключевое преимущество, позволяющее видеть структуры самых разных размеров одновременно.

— Насколько это направление популярно в мире? В России это уникальные разработки, а как обстоят дела за рубежом?

— Это направление очень популярно. Разработки в этой области ведут ученые в Швейцарии, Германии, США, Китае и не только. Традиционно антенны делают из пьезокерамики, поскольку она хороша для излучения ультразвука (как в классическом УЗИ). Но для оптоакустики, где нам нужно только принимать сигнал, гораздо лучше подходят пьезополимерные мембраны. Мы были первыми в мире, кто взялся за создание такой кастомизированной многоэлементной антенны. Когда профессор Даниил Рязанский из Цюриха предложил нам эту задачу, я сначала засомневался: а возможно ли это технически? Но он ответил: «Если бы это было возможно, я бы пошел к французам или американцам, и они бы сделали это за деньги». Таким образом, мы решили сделать, казалось бы, невозможное, но все получилось. Результаты нашей работы попали на обложку журнала Light: Science & Applications — одного из топовых изданий группы Nature с очень высоким импакт-фактором.

— Что вы можете увидеть в сосудах с помощью этой антенны?

— Наша пятимерная диагностика дает гораздо больше информации, чем обычный 2D-снимок. Мы получаем ответы не только на вопрос «Где?» (где находится объект, то есть три пространственные координаты), но и на вопрос «Когда?» (когда происходят изменения), отслеживая динамику кровотока в реальном времени; а пятое измерение — это спектральный анализ, отвечающий на вопрос «Что?». Так мы узнаем, что именно мы видим: артериальную кровь, венозную или, например, липидные отложения.

Кроме того, в наших публикациях мы показали, что можно неинвазивно наблюдать за гемодинамикой мозга лабораторных животных прямо через кости черепа в режиме реального времени (Light: Science & Applications). А еще мы воочию увидели, что кровь в венах течет неоднородно: отдельные участки имеют разную степень сатурации. Все это требует дальнейшего изучения.

Еще один важный фактор — многоракурсность. Мы одними из первых применили эффект «рыбьего глаза», создав полусферическую антенну, которая рассматривает объект со всех сторон. Пьезополимерные пленки гибкие и эластичные, их можно натянуть почти на любую поверхность, что открывает путь к масштабированию метода на любые органы и ткани.

— Поможет ли ваша разработка в диагностике серьезных заболеваний, например при онкологии, когда происходит неконтролируемое разрастание сосудов в районе опухоли?

— Мы очень надеемся на это. В экспериментальной онкологии наш метод используется уже сегодня. Совместно с Российским онкологическим научным центром мы неинвазивно изучаем мышей с опухолями. Антенна позволяет наблюдать за неоангиогенезом — процессом формирования новых сосудов, с помощью которых опухоль крадет ресурсы у организма. Мы можем в реальном времени видеть, как эти сосуды разрушаются под воздействием антиангиогенной терапии.

— А обычное УЗИ сосудов это показать не может?

— Обычное УЗИ и допплеровские режимы хорошо работают с крупными и средними сосудами, но микрососудистую сеть опухоли и ее функциональное состояние (например, насыщение крови кислородом) увидеть с таким контрастом значительно сложнее. Оптоакустика как раз закрывает важную нишу между поверхностной оптической микроскопией и классической ультразвуковой диагностикой.

В наших экспериментах мы показали, что оптоакустика позволяет наблюдать дозозависимое уменьшение сосудистой сети после радиотерапии, то есть видеть сосудистый ответ опухоли неинвазивно и в динамике.

— Есть ли у оптоакустического метода риски для человека? Насколько это вообще безопасно?

— Метод неинвазивен, что делает его безопаснее многих других. В США уже одобрена клиническая оптоакустико-ультразвуковая система для исследования поражений молочной железы. Это важный знак того, что технология постепенно проходит путь от лаборатории к клинике. При соблюдении нормативов лазерной безопасности метод неинвазивен и считается безопасным для пациента.

— Есть ли смысл увеличивать количество «ушей» антенны, скажем, до 10 тыс.?

— Именно к этому призывал отец-основатель оптоакустики Лихун Ван на недавней научной конференции в Саратове. Однако с ростом числа элементов увеличивается не только детализация, но и шум. Так что этот вопрос требует дальнейших исследований.

— А существуют ли неочевидные, немедицинские применения этой технологии?

— Да, мы пробовали применять ее в экологии. Оказалось, что сырая нефть по оптическим свойствам близка к крови. Мы опубликовали работу, где показали, что оптоакустика позволяет измерять толщину нефтяных пленок на поверхности воды.

Метод также перспективен для неразрушающего контроля в промышленности.

Это своего рода лазерная дефектоскопия. Например, мы смогли обнаружить дефекты склейки в оптических элементах лазеров, которые невозможно увидеть под обычным микроскопом, но которые проявляются под воздействием акустических волн.

— Напоследок вопрос о вашей команде. В лаборатории много молодых ученых. Как вам удается удерживать таланты в Нижнем Новгороде, когда существует постоянный соблазн уехать в столицу или за границу?

— Соблазны есть всегда. Я и сам в свое время стажировался в Швейцарии и Японии. Для ученого академическая мобильность крайне важна: нужно понимать, как работают коллеги в других странах. Но любая устойчивая система должна уметь воспроизводить себя, и научная лаборатория не исключение. Это значит, что для успешной работы нам постоянно нужен приток новых кадров. Однако в нашем регионе иногда возникает «кассовый разрыв»: грант закончился, исследования проведены, статьи опубликованы, а нового финансирования пока нет. В такие моменты очень важна господдержка. Хотя оклады в науке здесь скромнее, чем в Москве, нас выручают престижные стипендии: так, например, в один из сложных периодов сразу трое наших ребят получили стипендии президента РФ и частного фонда «Идея».

Не меньшее значение имеет наша научная база, то место, где мы, собственно, работаем. Еще до пандемии коронавируса мы создали в нашей лаборатории уникальную инфраструктуру: 110 м² с «чистыми комнатами» для лазеров и специальными инженерными зонами. Именно на эту современную научную платформу мы опираемся в наших исследованиях. Когда у тебя есть возможность развивать свою научную школу на таком высоком уровне, это становится решающим фактором.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ