Оптоакустика - область знаний, касающаяся формирования звукового сигнала под воздействием светового луча или лазерного импульса. Сегодня эта научная дисциплина развивается очень быстро, поскольку исследуемые здесь эффекты дают важные результаты как фундаментального, так и прикладного характера. Теперь американские ученые разработали миниатюрную оптоакустическую линзу, позволяющую с помощью лазера получать высокофокусированный ультразвуковой сигнал. Такое устройство может найти применение, прежде всего, в медицине.

Два применения в медицине

Сегодня ультразвук применяется в медицине для решения двух важных задач. Во-первых, он служит основой ультрасонографии - широко распространенного диагностического метода, позволяющего визуализировать глубокие структуры тела (сокращенно - УЗИ). При этом ультразвуковой луч частотой около 30 тысяч 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.

А во-вторых, 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.

Диффузор из силикона с нанотрубками

Расширить сферу применения ультразвука в медицине пытается группа ученых Мичиганского университета в Энн-Арборе под руководством профессора Джея Гуо (Jay Guo). Специалист в области прикладной физики, микроэлектроники и нанотехнологий поясняет: "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. Мы же сделали ставку на совсем другой - оптоакустический - метод".

Профессор Гуо нанес на миниатюрную стеклянную линзу тончайшее покрытие, состоящее из углеродных нанотрубок и специального силикона, и стал облучать свое изделие короткоимпульсным лазером. Каждый импульс нагревал нанотрубки, что приводило к мгновенной деформации окружающего силикона. Поскольку же 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.

Высокофокусированный ультразвук

Однако этим функции сконструированного профессором Гуо оптоакустического устройства не ограничиваются. Ученый поясняет: "Мы можем таким способом не только генерировать ультразвук, но и значительно сильнее его 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: "Такая степень точности позволит в ходе хирургических операций избежать случайного повреждения столь чувствительных тканей, как, например, нервы".

Перспективы применения в малоинвазивной хирургии

Поскольку же оптоакустический генератор ультразвуковых колебаний очень компактен - его линейные размеры не превышают нескольких миллиметров, - он может со временем найти применение и в малоинвазивной хирургии. Профессор Гуо поясняет: "Вполне реалистичным представляется 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".

Причем 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. Но чтобы такой метод терапии стал реальностью, понадобятся еще годы фундаментальных исследований.