Оптика, акустика и томография
Как устроено большинство физических методов исследования? Мы воздействуем чем-то на какой-нибудь объект и потом пытаемся измерить результат этого воздействия. Посветили лазером на пробирку с веществом — измеряем, сколько света отразилось или поглотилось, и из этого рассчитываем, сколько и каких молекул в растворе. «Светим» рентгеном сквозь травмированную конечность, измеряем, сколько излучения прошло в каждую точку на детекторе, и видим, есть ли перелом. Ту же эхолокацию «изобрели» животные задолго до учёных и инженеров: летучая мышь или дельфин испускают звук, а потом слушают отражённый сигнал, превращая его у себя в голове в некий пространственный образ. Но будь то летучая мышь в пещере, УЗИ-аппарат в кабинете врача или ИК-спектрометр в химической лаборатории, у всех обычно выполняется принцип: используем свет — измеряем свет, используем звук — регистрируем звук, используем электричество — измеряем силу тока или напряжение. А что если не следовать этому правилу и попытаться использовать разные физические явления для воздействия и измерения? В этом не будет чего-то невозможного или противоречащего законам физики, но, скорее всего, мы заведомо проиграем в точности, чем если бы измеряли что-то напрямую.
Однако иногда методы на стыке разных физических явлений открывают совершенно новые возможности для исследований. И одним из таких методов является оптоакустика — использование света для того, чтобы заставить объект генерировать звуковые волны и уже по ним узнать много интересного о нём.
— Павел Владимирович, как оптика и акустика совмещаются в одном методе?
— Это очень просто. Все сталкивались с грозами и видели вспышки света — молнии. Свет способен нагревать вещество, с которым взаимодействует. Спустя какое-то время после молнии мы слышим гром. Скорость звука в атмосфере равна примерно 330 метрам в секунду. Если мы увидели вспышку, а через три секунды громыхнуло, значит, факт взаимодействия света с веществом произошёл на расстоянии одного километра. Примерно то же самое мы делаем в нашей лаборатории.
— Устраиваете в лаборатории грозу?
— Микрогрозу. Даже картинки похожие. Наверняка вы видели изображения молнии, где видны толстые световые каналы, которые переходят в более тонкие, ветвятся. Это похоже на кровеносные сосуды, и это не случайность. Природа использовала одни и те же лекала, но разница в том, что масштабы очень разные. Молния имеет масштабы нескольких километров, и, соответственно, возникающие при этом звуки — низкочастотные. А при уменьшении до размера миллиметров, до диаметра сосуда, звук, который такая «молния» будет издавать, уже тонкий, пищащий. Это даже не звук, а ультразвук, его ухом не услышишь. Нужна специальная антенна. Такие ультразвуковые антенны мы называем гидрофонами. Они должны уметь слышать очень слабые приращения ультразвукового давления, меньше одного паскаля.
— И о чём нам может рассказать этот ультразвук?
— Даже с закрытыми глазами мы можем грубо оценивать пространственное распределение источников звука. А теперь представьте себе, что у нас не два уха, а, например, 256. В этом случае можно определить не только направление, но и дистанцию до предполагаемого источника излучения. А мы с помощью антенны из множества таких «ушей» можем вычислить, где внутри объекта возникли ультразвуковые сигналы, и восстановить пространственное, объёмное распределение сосудов. Именно таким путём мы идём: делаем антенные решётки из множества гидрофонов. Пока наш рекорд — 512 независимых каналов. В прошлом году у нас совместно с профессором Даниилом Рязанским из ETH Zurich вышла статья на эту тему в журнале Light: Science & Applications из портфеля Nature. У журнала высокий импакт-фактор, и изображение нашей антенны попало на обложку.
— Ваша антенна улавливает ультразвук?
— Да, термоупругие сигналы, возникающие при поглощении света, например в кровеносных сосудах. Причём, поскольку антенна широкополосная (та антенна с обложки журнала имеет полосу от 300 кГц до 40 МГц), она может улавливать как высокочастотный писк капилляров, так и крупные сосуды, например лучевой артерии, по которой мы измеряем пульс.
— А как возникла идея создания таких широкополосных антенн?
— Чтобы ответить на этот вопрос, надо отмотать время примерно на двадцать лет назад. Уже тогда профессор Валерий Викторович Тучин, ныне член-корреспондент РАН и лауреат премии «Вызов», был всемирно признанным отцом-основателем нового научного направления — биофотоники. Биофотоника изучает взаимодействие фотонов с живыми объектами. Это взаимодействие квантовое и позволяет получать информацию о процессах, которые происходят буквально на уровне отдельных молекул.
У меня всё началось так. В 2007 году, при поступлении в аспирантуру, я поехал на свою первую международную научную конференцию в Сан-Диего. Что может интересовать студента в Калифорнии? Конечно, сёрфинг. Я сразу пошёл к океану, арендовал доску и катался. Часа на два меня хватило, а потом решил посмотреть программу конференции. И там оказался ланч с профессорами, кажется, ещё и бесплатный. Английского толком не знаю, ищу, где русские сидят. Вижу Валерия Викторовича Тучина, сажусь к нему. Рядом с ним сидит Лихунг Ванг — профессор, у которого за два-три года до этого вышла статья в Nature*. В той работе его группа показала неинвазивную оптоакустическую томографию мозга крысы: сквозь неповреждённые кожу и череп исследователи увидели структуры мозга и изменения кровотока в ответ на стимуляцию усов. Оптика давала функциональный контраст, а ультразвук — пространственное разрешение.
* Wang X., Pang Y., Ku G. et al. Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain. Nat. Biotechnol. 21, 803—806 (2003).
Валерий Викторович объяснил мне, что Ванг фактически стоит у истоков биомедицинской оптоакустики — нового направления в биофотонике. В тот момент я увидел в Ванге капитана большого научного лайнера, который уже вышел в океан оптоакустики и поднимал за собой волну. И мне захотелось не остаться на берегу, а поймать эту волну своей акустической «доской». К обычному сёрфингу после той поездки я больше не возвращался — начался сёрфинг научный. Тем более что к тому времени я уже несколько лет, с 2002 года, работал в лаборатории ультразвуковой диагностики и занимался высокочувствительными акустическими измерениями. Профессор Тучин тогда сказал мне: акустические антенны в оптоакустике очень нужны, займись этим серьёзно. Он же тогда сделал историческую для меня фотографию с Лихунгом Вангом.