Физики создали тонкий волновод для терагерцовых эндоскопов
Российские физики сделали компактные сапфировые волноводы, которые передают терагерцовое излучение с низкими потерями. Такая технология может помочь врачам отличать здоровые ткани от опухолей прямо во время операции.
Источник: Материалы ВКР Александра Голикова. Сапфировый волновод с металлическим покрытием.
МОСКВА, 23 мая. /Новости науки/. Ученые создали тонкие волноводы для доставки безопасного терагерцового излучения к внутренним органам и тканям, сообщил Российский научный фонд. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Scientific Reports.
Терагерцовое излучение занимает область между микроволнами и инфракрасным светом. Оно проходит через пластик, ткань и бумагу, но сильно поглощается водой. Поэтому оно может быть полезно в медицине: разные ткани содержат разное количество воды, а значит, терагерцовые волны потенциально помогают отличать здоровые участки от злокачественных опухолей.
Главная проблема — доставка такого излучения внутрь организма. Обычные волноводы для терагерцовых волн часто слишком толстые для эндоскопии. Некоторые полимерные варианты не выдерживают стерилизацию при высокой температуре. Для медицинских инструментов это критично, так как эндоскоп обычно имеет диаметр всего несколько миллиметров.
Ученые из Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН, Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН и Московского центра передовых исследований создали волновод на основе полой сапфировой трубки. Ее получили методом Степанова. Этот подход позволяет выращивать тонкие трубки с очень гладкой поверхностью.
Внутренний диаметр новой сапфировой трубки составил около 6,15 миллиметра. Толщина стенки — 0,7 миллиметра. Сапфир почти не поглощает терагерцовое излучение, устойчив к химикатам, биологическим жидкостям и нагреву. Это значит, что такие элементы можно стерилизовать обычными медицинскими способами.
Исследователи сделали два варианта волновода. В первом сапфировую трубку покрыли полимерной оболочкой. Она частично удерживает терагерцовые волны внутри канала и снижает потери. Во втором варианте трубку покрыли тонким слоем меди. Металл лучше удерживает волну внутри и защищает сигнал от внешних помех.
Медное покрытие показало лучший результат. Потери излучения в таком волноводе оказались почти вдвое ниже, чем в трубке с полимерным покрытием. При этом устройства выдерживают нагрев до 200°C, что достаточно для медицинской стерилизации.
На основе медного волновода ученые собрали действующий терагерцовый эндоскоп длиной 5 сантиметров. Его можно будет использовать для изучения труднодоступных тканей, например хрящей, зубов или опухолей во время операции.
«Комбинация сапфировых трубок и тонких металлических покрытий — это отличное сочетание материалов в конструкции жесткого волновода: в таких устройствах теряется всего около 5 децибел излучения на метр, то есть в волноводе длиной 10 сантиметров потери составят всего лишь 10% излучения», — пояснил руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Глеб Катыба.
По словам Катыбы, малый диаметр трубок может ускорить внедрение таких устройств в клиническую практику. В дальнейшем ученые планируют измерить оптические свойства биотканей с помощью новых эндоскопов и проверить устройства в опытах с лабораторными животными.
Разработка может пригодиться не только в медицине. Такие волноводы можно применять для проверки труднодоступных полостей в деталях самолетов, ракетных двигателях и ядерных реакторах. Еще одно возможное направление — системы связи нового поколения, где терагерцовые волны рассматривают как основу для передачи данных на очень высоких частотах.
Терагерцовое излучение занимает область между микроволнами и инфракрасным светом. Оно проходит через пластик, ткань и бумагу, но сильно поглощается водой. Поэтому оно может быть полезно в медицине: разные ткани содержат разное количество воды, а значит, терагерцовые волны потенциально помогают отличать здоровые участки от злокачественных опухолей.
Главная проблема — доставка такого излучения внутрь организма. Обычные волноводы для терагерцовых волн часто слишком толстые для эндоскопии. Некоторые полимерные варианты не выдерживают стерилизацию при высокой температуре. Для медицинских инструментов это критично, так как эндоскоп обычно имеет диаметр всего несколько миллиметров.
Ученые из Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН, Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН и Московского центра передовых исследований создали волновод на основе полой сапфировой трубки. Ее получили методом Степанова. Этот подход позволяет выращивать тонкие трубки с очень гладкой поверхностью.
Внутренний диаметр новой сапфировой трубки составил около 6,15 миллиметра. Толщина стенки — 0,7 миллиметра. Сапфир почти не поглощает терагерцовое излучение, устойчив к химикатам, биологическим жидкостям и нагреву. Это значит, что такие элементы можно стерилизовать обычными медицинскими способами.
Исследователи сделали два варианта волновода. В первом сапфировую трубку покрыли полимерной оболочкой. Она частично удерживает терагерцовые волны внутри канала и снижает потери. Во втором варианте трубку покрыли тонким слоем меди. Металл лучше удерживает волну внутри и защищает сигнал от внешних помех.
Медное покрытие показало лучший результат. Потери излучения в таком волноводе оказались почти вдвое ниже, чем в трубке с полимерным покрытием. При этом устройства выдерживают нагрев до 200°C, что достаточно для медицинской стерилизации.
На основе медного волновода ученые собрали действующий терагерцовый эндоскоп длиной 5 сантиметров. Его можно будет использовать для изучения труднодоступных тканей, например хрящей, зубов или опухолей во время операции.
«Комбинация сапфировых трубок и тонких металлических покрытий — это отличное сочетание материалов в конструкции жесткого волновода: в таких устройствах теряется всего около 5 децибел излучения на метр, то есть в волноводе длиной 10 сантиметров потери составят всего лишь 10% излучения», — пояснил руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Глеб Катыба.
По словам Катыбы, малый диаметр трубок может ускорить внедрение таких устройств в клиническую практику. В дальнейшем ученые планируют измерить оптические свойства биотканей с помощью новых эндоскопов и проверить устройства в опытах с лабораторными животными.
Разработка может пригодиться не только в медицине. Такие волноводы можно применять для проверки труднодоступных полостей в деталях самолетов, ракетных двигателях и ядерных реакторах. Еще одно возможное направление — системы связи нового поколения, где терагерцовые волны рассматривают как основу для передачи данных на очень высоких частотах.
