Елизавета Алексеева
УЗИ сегодня – вполне банальная процедура.
Фото РИА Новости
Ультразвук служит основой ультрасонографии – широко распространенного диагностического метода, позволяющего видеть глубокие структуры тела. При этом ультразвуковой луч частотой около 30 тыс. герц через специальный датчик направляется на тот или иной участок поверхности тела, а эхо этого сигнала, отраженного внутренними органами и тканями, используется для формирования их электронного изображения.
Кроме того, на ультразвуке основана экстракорпоральная волновая литотрипсия – неинвазивный щадящий метод дробления камней в мочевыводящих путях. Эти разрушающие камень ударные волны представляют собой сфокусированный ультразвуковой сигнал строго контролируемой мощности.
Расширить сферу применения ультразвука попыталась группа ученых Мичиганского университета в Энн-Арбор под руководством профессора Джея Гуо, специалиста в области прикладной физики, микроэлектроники и нанотехнологий. Традиционно ультразвук получают с помощью генераторов на основе пьезокристаллов. Если к такому пьезокристаллу приложить электрический заряд, он деформируется. А под воздействием переменного тока пьезокристалл вибрирует, и эти колебания служат источником звуковых волн. Группа профессора Гуо сделала ставку на совсем другой – оптоакустический – метод.
На миниатюрную стеклянную линзу наносили тончайшее покрытие, состоящее из углеродных нанотрубок и специального силикона, и облучали изделие короткоимпульсным лазером. Каждый импульс нагревал нанотрубки, что приводило к мгновенной деформации окружающего силикона. Поскольку углеродные нанотрубки обладают крайне низкой тепловой инерцией, они нагревались и охлаждались чрезвычайно быстро. Соответственно и силикон растягивался и сжимался с очень высокой частотой, генерируя ультразвук, словно диффузор громкоговорителя.
Система оказалась способной поддерживать частоту колебаний, превышающую 15 мегагерц. Таким способом можно не только генерировать ультразвук, но и значительно сильнее фокусировать, сконцентрировав всю энергию на площади, равной площади сечения человеческого волоса.
Эта стократная по сравнению с обычной концентрация энергии позволяет при относительно малой мощности на выходе источника получить чрезвычайно высокое звуковое давление в заданной точке. В лабораторных экспериментах исследователям уже удалось таким узким ультразвуковым лучом прицельно удалять из пробы ткани отдельные клетки, не повреждая соседние.
На основе этой техники профессор Гуо планирует теперь разработать оптоакустический бесконтактный скальпель, способный обеспечить небывало высокую точность. Это позволит в ходе хирургических операций избежать случайного повреждения самых чувствительных тканей, таких, например, как нервы.
Поскольку оптоакустический генератор ультразвуковых колебаний очень компактен – его линейные размеры не превышают нескольких миллиметров, – он может со временем найти применение и в малоинвазивной хирургии (малоинвазивный – минимальный по объему наносимой травмы). Вполне реалистичным представляется профессору Гуо и размещение таких оптоакустических линз непосредственно в эндоскопе на конце волоконного световода. Это позволило бы направлять лазерные импульсы в нужную точку и именно там генерировать высокофокусированный ультразвук. То есть все это может происходить внутри тела пациента.
Такой оптоакустический скальпель может оказаться инструментом более широкого применения, чем обычный стальной скальпель, поскольку годится не только для рассечения мягких тканей. Специалисты Мичиганского университета показали, что воздействие на живую ткань высокофокусированного ультразвука несколько уменьшенной энергии не разрушает клетки, а делает их мембраны более проницаемыми. Возможно, на основе этого эффекта удастся со временем создать метод введения непосредственно в клетку тех биологически активных веществ, которые мембраной в обычном состоянии задерживаются.
Дарья Гармоненко