Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого создали прототип установки, которая позволяет анализировать внутреннюю структуру объектов, не нарушая их целостности и не влияя на их свойства. Технология в три–пять раз эффективнее традиционных способов получения изображений — МРТ и рентгена. Она будет особенно востребована в медицине, а также в полупроводниковой промышленности.
Во многих областях науки и техники — например, в биологии, медицине, производстве полупроводников или оптических компонентов — ученым необходимо заглянуть в глубь объекта, не нарушая его целостность. Ярче всего эта необходимость видна на примере рентген-снимка для постановки диагноза в медицине: врач «просвечивает» человека и получает информацию о состоянии внутренних органов. Но при этом рентгеновское излучение негативно влияет на живые организмы, а в промышленности может испортить просвечиваемый объект. Кроме того, рентгеновскую установку тяжело интегрировать непосредственно в производственную линию. Другой подход к получению изображения изнутри объекта заключается в применении ультразвуковых методов исследования. Их главный минус в том, что из-за относительно большой длины волны ультразвука невозможно однозначно визуализировать неоднородности размером порядка десятков микрон и менее, что сейчас является крайне востребованной задачей.
В настоящее время только оптическими методами можно исследовать внутреннюю структуру объектов и визуализировать неоднородности размером в единицы микрон. При этом оптическая микроскопия дает возможность изучать только поверхность объектов, а оптическая когерентная томография позволяет пучку света проникать внутрь объекта и, изучив его отражение, построить объемную модель.
Ученые Политеха предложили комплексное улучшение существующих методов оптической когерентной томографии — за счет оптимизации самой установки и за счет улучшения методов обработки сигналов. Специалисты создали прототип установки, которая позволяет анализировать внутреннюю структуру объектов без вреда для них. По словам инженеров, новый подход помогает визуализировать неоднородности, которые меньше в три–пять раз, чем те, что можно проанализировать с помощью традиционных методов.
«Нам удалось существенно улучшить качество полученного изображения за счет использования нескольких источников инфракрасного излучения, а также специально разработанного алгоритма обработки сигналов. Такая комбинация способна визуализировать неоднородности в объектах размером менее трех микрон — в сотни раз тоньше человеческого волоса. При этом наш метод подходит не только для медицинской диагностики совершенно нового уровня, но и для промышленности. Так, например, широко используемый для изготовления полупроводниковых приборов и фотонных интегральных схем кремний непрозрачен для традиционных методов оптической визуализации. Наш же метод позволит проверять и отбраковывать детали оптических и оптоэлектронных систем еще на ранней стадии производства, что снизит затраты. В биологии новый подход позволит вести мониторинг роста клеток в живых организмах в режиме реального времени или визуализировать доставку и действие лекарственных препаратов внутри тканей», — отметил доктор физико-математических наук, профессор Высшей школы прикладной физики и космических технологий СПбПУ Николай Ушаков.
Как отмечают специалисты, главное отличие новой системы оптической когерентной томографии от существующих заключается в том, что для нее были разработаны и использованы усовершенствованные методы обработки экспериментальных сигналов, формируемых светом, отраженным внутри исследуемого объекта. Также ученые Политеха разработали и теоретически опробовали подходы для дальнейшего улучшения точности визуализации до величин в сотни нанометров, что в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса. Работа выполнена при поддержке программы Минобрнауки России «Приоритет-2030».
