Современная медицина всё больше применяет неинвазивные методы диагностики, наиболее известными из которых являются томография и УЗИ. Однако 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 — прибор нового поколения.
Он создается в рамках интеграционного проекта с участием Институте 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, — пояснила научный сотрудник ИВТ СО РАН 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».
Исследовательница отметила, что важно не допустить термического повреждения живой ткани во время диагностической процедуры, поэтому импульсы должны быть очень короткими, суб-пикосекундной или фемтосекундной длительности, и при этом 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 ИАиЭ СО РАН. 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 многопараметрическая нелинейная физическая система, — отметила Беднякова. — 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, по ее словам, 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», — добавила она.
Беднякова обратила внимание, что она построла численную модель волоконного лазера.
«Можно назвать её цифровым двойником лазерной установки, построенной коллегами из ИАиЭ, поскольку с помощью модели мы наблюдаем распространение оптического импульса внутри лазерного резонатора, что позволяет оптимизировать его характеристики в соответствии с предъявляемыми требованиями, то есть использовать для цифрового проектирования», — уточнила ученый.