Корейские ученые получили награду за разработку устройства, сочетающую в себе ультразвуковую, фотоакустическую и флуоресцентную визуализацию

Корреспондент Гу Бон Хёк

- Команда показала возможность клинического применения технологий визуализации гибридного типа, сочетающей в себя оптику и ультразвук на основе прозрачного УЗ-преобразователя (трансдьюсера)

Профессор Ким Чхоль Хон (слева направо), доктор Пак Чжон У, доктор О Дон Хён. [Предоставлено POSTECH]

Исследовательская группа во главе с профессором Ким Чхоль Хоном из Пхоханского университета науки и технологии (POSTECH) получила награду за лучшую статью на «SPIE Photonics West2026» - крупнейшей в мире конференции по оптике и оптоэлектронике, которая прошла недавно.

Эта награда была присуждена за совместную работу исследовательской группы профессора Ким Чхоль Хона и исследовательской группы профессора Мён Ю Чжина из Отделения пластической хирургии Сеульского национального университета, которые получили высокую оценку за разработку технологий гибридной оптико-ультразвуковой визуализации на основе матрицы прозрачных ультразвуковых преобразователей (Transparent Ultrasound Transducer Array или TUT-матрицы).

Разработанная исследовательской группой технология отличается тем, что объединяет ультразвуковую, фотоакустическую и флуоресцентную визуализацию в одном компактном диагностическом устройстве. Благодаря этому в реальных условиях хирургического вмешательства можно одновременно в режиме реального времени просматривать различную визуальную информацию без необходимости поочередного использования нескольких устройств, что позволило создать платформу визуального сопровождения, которая может быть немедленно использована в клинической практике.

Рис. 1. Процесс изготовления матрицы прозрачных ультразвуковых преобразователей (TUT-матрицы). а) Пошаговый обзор процесса изготовления TUT-матрицы. б) Фотография поперечного сечения массива TUT. Все элементы точно выровнены. в) Фотографии массива TUT с лицевой и обратной стороны. ML — согласующий слой, FPCB — гибкая печатная плата, P — PMN-PT, BB — подложка, ITO — оксид индия-олова, Au — золото.

Рис. 2. Акустические и оптические характеристики TUT-матрицы. а) Экспериментальная форма импульсно-эховой характеристики (черная) и соответствующий частотный спектр (красная) TUT-матрицы. б) Экспериментальное электрическое сопротивление (черная) и фазовый угол (красная) TUT-матрицы. в) Количественно определенная центральная частота и полоса пропускания –6 дБ для каждого элемента. г) Количественно определенное отношение сигнал/шум (SNR) ультразвуковой (УЗ) A-линии для каждого элемента. д) Перекрестные помехи между соседними и вторыми ближайшими элементами. е) Светопропускание слоев, составляющих TUT-матрицу. ж) Сравнение акустических полей пучка коммерческого, непрозрачного ультразвукового преобразователя и TUT-матрицы. ML — согласующий слой, ITO-P — ITO-покрытый PMN-PT, BB — подложечный блок, FWHM — полуширина или ширина на полувысоте.

Рис. 3. Трехмодальная система ультразвуковой / фотоакустической / флюоресцентной визуализации (US/PA/FL или УЗ/ФА/ФЛ) с опто-УЗ зондом через TUT-матрицу и ее сравнительный анализ производительности. а) Схема и фотографии опто-УЗИ зонда, показывающие все оптические и УЗ компоненты. Лазерный луч проходит непосредственно через TUT-матрицу, демонстрируя его прозрачность, что позволяет коаксиально выравнивать луч с путем передачи УЗ. Производительность визуализации US-, PA- и FL- фантомов с помощью опто-УЗ зонда. б) Изображения от US B-сканирования с проволочными мишенями и c безэховые мишени в стандартном УЗ-фантоме. г) Изображение от PA B-сканирования с черными нитями в фантоме, имитирующем ткань. д) Анфас-изображение FL-трубки, заполненной индоцианином зеленым (ICG), под слоями куриной ткани. е) Пространственное разрешение US. ж) Отношение контраста к шуму (CNR) US. з) Пространственное разрешение PA. и) Интенсивность FL в зависимости от глубины. й) Одновременная трехмодальная US/PA/FL-съемка трубок, заполненных кровью и ICG, под слоями куриной ткани. DM - дихроичное зеркало, M - зеркало, ED - разработанный диффузор и OF - оптическое волокно.

Рис. 4. Трехмерное трехмодальное картирование лимфатической системы у живой крысы. Одновременное ультразвуковое (US) / фотоакустическое (FA) / флуоресцентное (FL) изображение было получено с помощью мозаичного трехмерного моторизованного сканирования правой подмышечной области анестезированной крысы a) до и b) после инъекции индоцианина зеленого (ICG). c) Проекция максимальной амплитуды (MAP) объема ФА, визуализирующая сосудистую сеть в сагиттальной плоскости, c1) до и c2) после инъекции ICG. Путь наложенного несмешанного контраста ICG (зеленым цветом) на рисунке (c2) визуализирует подмышечную лимфатическую систему, демонстрируя непрерывное соединение от периферических лимфатических сосудов (LV) к подмышечному сторожевому лимфатическому узлу (aSLN). d) Совмещенный трехмерный объем ФА/УЗ над подмышечной областью (дополнительное видео 1) LV и поверхностные вены идентифицированы под дермальным слоем (DL). e) Наложенные друг на друга изображения PA/US в B-режиме e1) до и e2) после инъекции ICG. Детальные структуры опорно-двигательного аппарата и анатомия органов различимы по данным USI, в то время как PAI демонстрирует разветвленное распределение кровеносных/лимфатических сосудов. f) Мозаично-синтезированная FLI через оптическое окно TUT f1) до и f2) после инъекции ICG. g) Количественная оценка усиления сигнала PA и FL при инъекции ICG (среднее значение ± стандартная ошибка, n = 3, независимые эксперименты). PM — грудная мышца, RH — правая плечевая кость, BiB — двуглавая мышца плеча, RC — грудная клетка, L — печень. Масштабная линейка = 1 см. Все значения выражены в условных единицах.

Рис. 5. Бимодальная 3D функциональная фотоакустическая (ФА) / ультразвуковая (УЗ) визуализация руки человека в реальном времени. a) Экспериментальная конфигурация. b) 3D-визуализация наложенных объемов фотоакустической / ультразвуковой визуализации, одновременно описывающая анатомию тканей по данным УЗ и зарегистрированную сосудистую сеть в ФА визуализации, полученной при 866 нм (PA866 нм) в предплечье (дополнительное видео 2). Репрезентативные изображения УЗ в B-режиме (b1) и ФА визуализации (b2) отображают различимые структуры опорно-двигательного аппарата и прилегающие кровеносные сосуды соответственно. c1–c3) Проекция максимальной амплитуды (MAP) в плоскости x-y для c1) PA866 нм, c2) ФА визуализации с энкодированной глубиной и c3) карты насыщения кислородом (sO2) позволяет отличить артериальную сеть от поверхностной венозной сети. d) Изображение УЗ/ФА визуализации в B-режиме, вырезанное по пунктирной линии на рисунке (c1). Пульсирующее движение артерий, выявленное по изображениям УЗ/ФА в B-режиме (дополнительное видео 3). e) Временные изменения и соответствующий частотный спектр демонстрируют пульсацию 1,4 Гц (84 уд/мин) как на изображениях УЗ, так и на изображениях ФА в области интереса (ROI) артерий, отмеченной желтым прямоугольником на рисунке (d). UA — локтевая артерия, UV — локтевая вена, UN — локтевой нерв, FDS — поверхностный сгибатель пальцев, SV — поверхностная вена, ED — эпидермис, RA — лучевая артерия, BR — плечелучевая мышца и FCR — лучевой сгибатель запястья. Масштабные линейки = 1 см. Все значения выражены в условных единицах.

Рис. 6. Микрохирургическое вмешательство с использованием трехмодальной ультразвуковой визуализации (УЗ) / фотоакустической (ФА) / флюоресцентной (ФЛ) визуализации для выполнения лимфатико-венозного анастомоза (ЛВА) у пациентов с лимфедемой. a) Лимфография здорового добровольца с инъекцией индоцианина зеленого (ICG) (дополнительное видео 4). b) Традиционные методы клинической визуализации: флуоресцентная лимфография (ФЛ) и ультразвуковая визуализация (УЗ, 33 МГц). Красные и зеленые стрелки указывают на вены и потенциальные лимфатические сосуды (ЛС) соответственно. Трехмодальная УЗ/ФА/ФЛ визуализация с использованием опто-УЗИ зонда c) до и d) после инъекции ICG. e) Предоперационная лимфатическая иллюстрация и места инъекции ICG в ноге пациента с лимфедемой (дополнительное видео 5). f) Традиционное клиническое исследование путем визуализации. g) Трехмодальное УЗ/ФА/ФЛ исследование ЛС и кровеносных сосудов. h) Фотографии, полученные до и после супермикрохирургического вмешательства ЛВА. Масштабная линейка = 5 мм. Все значения выражены в а.е., что обозначает произвольные единицы измерения.

Данное исследование опубликовано в международном научном журнале «Nature Communications» и, на основе этих научных и технических достижений, удостоено награды за лучшую статью на конференции «Photonics Plus Ultrasound: Imaging and Sensing», прошедшей в рамках выставки SPIE Photonics West 2026.

В данном исследовании в качестве первых соавторов выступили доктор Пак Чжон У (в настоящее время доцент кафедры биомедицинских конвергентных наук и технологий Университета Кёнбук), доктор О Дон Хён и доктор Ю Чжин Хи из факультета электроники и электротехники POSTECH.

«Данное исследование имеет большое значение, поскольку оно не ограничивается предложениями технологий на уровне лаборатории, а реализует систему визуализации в режиме реального времени, которая может быть сразу применена в реальных клинических условиях» - сказал доктор Пак Чжон У, добавив: «Очень важно, что на крупнейшей в мире научной конференции по оптике была признана как техническое совершенство, так и клиническая применимость». «В будущем мы планируем расширить применение этой технологии в качестве визуального руководства для высокоточных хирургических операций и в качестве технологии медицинской визуализации нового поколения, сочетающей оптику и ультразвук», — заявил он.

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #технология #медицина #диагностика #узи #визуализация #оптоакустическая #фотоакустическая #флюорография #бизнес #финансы #общество #культура #искусство #азия