Ученые Пермского Политеха повысили эффективность оптических волокон для хирургических операций

По данным анализа рынка медицинских услуг в период 2020-2024 гг. число хирургических операций в стационарах России выросло на 34%, с 13,5 до 18,1 миллиона. Наиболее частые вмешательства проводятся в областях сердечно-сосудистой хирургии, травматологии, ортопедии, нейрохирургии, урологии и онкологии. В качестве источника света в процессе все чаще используют оптоволокно — тонкий «световод». По сравнению с обычными лампами он позволяет освещать труднодоступные места, например, зоны за органами или узкие каналы в эндоскопии. Проблема в том, что во многих случаях из-за особенности строения оптоволокна свет рассеивается неравномерно. Это снижает видимость оперируемой зоны и повышает вероятность повреждения сосудов или нервов. Еще один риск — локальный перегрев тканей из-за неправильного распределения световой энергии. Ученые Пермского Политеха создали математическую модель, которая позволяет оценивать равномерность и мощность излучения, рассеянного вдоль волокна. Это позволит повысить эффективность почти в два раза. Разработка может быть использована в медицинских зондах для хирургических операций, требующих точного освещения, а также в волоконно-оптических сенсорах. 

Статья опубликована в журнале «Photonics» за 2025 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ.

В современной медицине, особенно в хирургии, не обойтись без оптоволокна — тонких нитей из кварцевого стекла, которые проводят свет. По данным аналитиков, спрос на него стремительно растет: рынок ежегодно увеличивается на 8-9%.

Во время хирургических вмешательств медицинское оптоволокно помещают в организм через микроразрезы для точного освещения операбельной зоны. В отличие от обычных ламп оно не нагревается, гнется как проволока и доставляет свет в конкретную область. Такая технология особенно востребована в гастроэнтерологии, урологии, эндоскопии (осмотре внутренних органов), лазерной хирургии и лечении опухолей светом.

Проблема оптических волокон в том, что неправильный подбор их характеристик влияет на рассеяние лучей. Это особенно критично в хирургии: если освещение распределяется с перепадами яркости, врач плохо видит некоторые участки в операционном поле. Определить границы тканей, сосудов или опухолей становится куда труднее. В эндоскопических процедурах это приводит к появлению бликов, теней и «слепых зон» на мониторе, из-за чего можно пропустить критически важные детали, например, начавшееся кровотечение или границы новообразования. При лазерных операциях неравномерное распределение световой энергии вызывает локальные перегревы, и вместо аккуратного разреза хирург рискует обжечь здоровые ткани. Именно поэтому очень важно обеспечить равномерный световой поток и свести подобные риски к минимуму. 

В разработке ученых Пермского Политеха за рассеяние света отвечает структура из микрополостей разной формы, которая специально создается в оптоволокне путем оптического пробоя, то есть лазерными импульсами. Как правило, они бывают трех видов: овальные (эллиптические), круглые (сферические) и пулеобразные. Их форма, диаметр и периодичность расположения напрямую влияют на эффективность освещения.

Ученые Пермского Политеха создали математическую модель, которая предсказывает поведение света в оптическом волокне с микрополостями разного типа. Они создали его виртуальную копию и с помощью программы рассчитали, как размер, форма и расположение этих полостей влияют на распределение лучей.

— С помощью нашей модели мы определили оптимальные параметры полостей в медицинском оптоволокне. Например, для сферических — лучшие результаты показали диаметры 3,6-4,4 мкм (микрометров) и 7,5-8,0 мкм с периодом 12,76 мкм. Для эллиптических — длины 10-12 мкм и диаметры 5,0-6,6 мкм. Эти характеристики обеспечивают максимально равномерное распределение света без значительных потерь мощности, — комментирует Анатолий Перминов, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук. 

Так, оптимизированные микрополости в медицинском оптоволокне позволяют точно адаптировать световое воздействие под конкретные задачи. Например, сферические 3,6-4,4 мкм идеальны для высокоточных офтальмологических и онкологических операций, 7,5-8,0 мкм — для эндоскопии с равномерным освещением, а эллиптические (10-12 мкм или 5-6,6 мкм) эффективны в фотодинамической терапии рака. Такой размер и расположение микрополостей в волноводе позволят равномерно распределять свет по оперируемой зоне, что исключит риск ошибок во время хирургических вмешательств.

Математическая модель, созданная учеными Пермского Политеха, позволяет практически в два раза повысить эффективность оптоволоконного рассеивателя. Разработка улучшает существующие технологии и закладывает фундамент для будущих исследований в области оптики и фотоники.

Источник