Nors pirmasis fotoakustinis vaizdas buvo sukurtas vos prieš dvidešimt metų, akivaizdu, kad šios technologijos sparčiai populiarėja, ypač medicinos srityje, aptinkant vėžines ląsteles pačioje ankstyviausioje jų stadijoje.
Nūdienos medicinoje, taikant diagnostikos technologijas onkologiniams susirgimams aptikti, prioritetas skiriamas būtent optiniams prietaisams, kurie pasižymi mažiausiai kenksmingu poveikiu žmogaus organizmui.
Apie fotoakustiką, pagrindinius jos veikimo principus ir pranašumus lyginant su tradiciniais vaizdinimo metodais, pasakoj Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) Medžiagų mokslo alumnas ir Medžiagų inžinerijos daktaras bei bendrovės EKSPLA lazerių serviso inžinierius dr. Vytautas Kavaliūnas.
– Gal galėtumėte papasakoti, kas yra fotoakustika ir kokie pagrindiniai jos veikimo principai?
– Tai yra tarpdisciplininė technologija, apjungianti optiką, akustiką ir biologiją. Ji remiasi fotokaustinio efekto principu, kuomet minkšti audiniai, sugerdami trumpus lazerio impulsus, pradeda „šilti“, o tai sukelia slėgio pasikeitimus ir dėl šių pasikeitimų atsiranda akustinės bangos.
Įsivaizduokime, jog esame koncerte, kuriame mušami būgnai. Su kiekvienu mušimu, mes viduje pajaučiame „dunksėjimą“. Taip yra dėl to, kad garso bangos, sklindančios nuo būgno, pasiekia mus kaip tam tikros vibracijos.
Fotoakustikoje yra panašiai, tik vietoje būgno lazdelės mes naudojame šviesą, o pats būgnas yra žmogaus organizme esantys audiniai. Kiekvieną kartą šviesos impulsui pasiekus audinius, šie „suskamba“. Šį skambesį, arba kitaip tariant, žmogaus organizmo „muziką“ fiksuojame detektoriais ir gauname anatominius vaizdus.
Fotokaustiką galime išskaidyti į keturis principus: fotoakustikos efektas – kai žmogaus audiniai sugeria lazerio šviesą, pradeda skleisti akustines bangas, kurios fiksuojamos ultragarso detektoriais.
Antrasis – šilumos plitimas – sugerta šviesa sukelia medžiagos šiluminį išsiplėtimą. Atsiradus šilumai, medžiaga pradeda vibraciją ir tai gali sukelti ultragarso bangų (akustinės bangos) susidarymą.
Trečiasis – šviesos sugerties spektrų analizė – skirtingi audiniai turi skirtingą šviesos sugerties spektrą, tarkim deguonies prisotintas hemoglobinas (HbO2) gerai sugeria šviesą nuo 850 iki 1100 nm, kuomet hemoglobinas (Hb) geriau sugeria ties maždaug 650 – 800 nm.
Ketvirtasis yra giluminė analizė – šiuo atveju, laikas tarp paduoto lazerio impulso ir „sugautos“ akustinės bangos, pagal tam tikrus skaičiavimus, leidžia mums suprasti, iš kokio gylio organizme ši akustinė banga atsklido.
– Kokiose veiklos srityse šios technologijos taikomos dažniausiai? Su kuo tenka daugiausia bendradarbiauti verslams, kuriantiems lazerines technologijas?
– Pagrindiniai fotoakustikos taikymai yra skirti medicinai, dažniausiai – vaistų ir ligų tyrimams.
Pavyzdžiui, daugybe atliktų tyrimų įrodyta, kad fotoakustinis vaizdinimas yra labai efektyvus diagnozuojant krūties navikus, odos vėžį, skydliaukės mazgelius, osteoartritą, reumatoidinį artritą, o taip pat ir ankstyvas kraujagyslių bei daugelio kitų ligų stadijas.
Fotoakustika padeda stebėti vaistų paskirstymą bei veikimą audiniuose realiuoju laiku: analizuoti vaistų kinetiką ir metabolizmą, tirti nanodalelėmis pagrįstas terapijas, stebėti ląstelių atsaką į vaistus ir vertinti deguonies pokyčius.
Na, o dažniausi lazeristų partneriai – įvairių prietaisų kūrėjai: fotoakustikinio vaizdinimo bei akademinės įstaigos – institutai, universitetai, taikymų centrai. Mes patys bendradarbiaujame su įvairiais šalies lazerių centrais – tokia sinergija svarbi tiek mums, tiek mokslininkams: testuoti lazeriams, dalyvauti tyrimuose, bendruose tarptautiniuose projektuose, kurti naujas technologijas ir jas išbandyti.
Pavyzdžiui, 2024-uosius pradėjome su vienu įdomiu projektu – „HoliSTEP“ – 9 partneriai trejus metus kurs holografinį steperį – įrenginį, skirtą įrašyti holografinėms kaukėms, naudojamoms puslaidininkių gamyboje.
Holografinė kaukių įrašymo ir replikavimo technologija yra nauja pasauliniu mastu – to dar niekas nėra daręs. Jai realizuoti reikia unikalių, tam sukurtų lazerių. Iš tų visų iššūkių kyla nemažos rizikos, bet EKSPLOS R&D žmonės jau tokie – ieško iššūkių.
Apskritai kalbant, Lietuvoje lazeristų bendruomenė yra tikrai glaudi – vieni su kitais nuveikiame dar daugiau įdomių dalykų.
– Niekam ne paslaptis, kad norint sugrąžinti žmogui kokybišką gyvenimą jam susirgus, arba išgelbėti gyvybę, itin svarbi yra ankstyvoji diagnostika. Kokie, jūsų manymu, lazerinių technologijų pranašumai, lyginant su tradicinėmis technologijomis?
– Vienas iš svarbiausių pranašumų yra tas, jog šiuo atveju nereikia naudoti nei jonizuojančiosios spinduliuotės (MT), nei injekcinio tirpalo kontrastui sustiprinti (MRT).
Kitaip tariant, šis metodas nekenkia žmogaus organizmui. Negana to, fotoakustinis vaizdinimas užtrunka vos iki kelių minučių ir yra gana komfortiškas paciento atžvilgiu. Tiesa pasakius, beveik visais aspektais, fotoakustinis vaizdinimas yra pranašesnis už kitus metodus. Be to, šis metodas įgalina vaizdinimą realiu laiku, tad nereikia laukti dienų ar savaičių, kol bus gauti tyrimų rezultatai, o tai yra ypač svarbu kalbant apie ūmias ligas.
Tačiau verta paminėti keletą iššūkių – tai vaizdinimo gylis. Jis siekia iki kelių centimetrų, kuomet MRT neturi ribojimų gyliui. Tačiau šis metodas yra savotiškai naujas, tad ateityje galime tikėtis, jog šis limitas bus padidintas.
Verta paminėti dar ir tai, jog šis metodas leis sumažinti klaidingų diagnozių skaičių. Taip yra dėl to, kad šio metodo dėka yra sugeneruojami aukštos kokybės struktūriniai ir funkciniai vaizdai.
Šis metodas yra ypač jautrus Hb ar HbO2 pasiskirstymui organizme, o vėžiniai dariniai itin „mėgsta“ deguonį. Tad net sąlyginai mažai padidėjusi HbO2 koncentracija tam tikroje vietoje, gali indikuoti apie vėžines ląsteles (arba kitus pakitimus).
Iš tikrųjų tai yra nemažai gydymo metodikų, kuriose naudojamas lazeris. Precizinis audinių šalinimas iš organizmo ar tų pačių vėžinių ląstelių šalinimas naudojant fotodinaminę terapiją.
Odos ligų gydymas ar regos korekcija (gydant astigmatizmą, miopiją ar hiperopiją ir kt.). Lazerių taikymas medicinoje (ir ne tik) vis plečiasi.
– Ką įdomaus šioje srityje yra nuveikę Lietuvos mokslininkai ir verslai, kuriantys lazerines technologijas medicinai? Gal teko pasidomėti, kaip Lietuva atrodo pasaulio kontekste šioje srityje?
– Lietuvoje yra vienas ypač įdomus startuolis – „Vital3D Technologies“. Jie kuria biospausdintuvus gaminti funkcionuojantiems žmogaus organams, o taip pat – lazerius tiksliai sluoksniuoti gyvas ląsteles ir biomedžiagas 3D struktūromis. Jie pasitarnauja eksperimentams, rasti sprendimams geresniam pacientų gydymui.
Yra ir kitų įmonių, kurios kuria lazerius mikroskopijai, akių chirurgijai. Iš tiesų, Lietuvoje – puiki, visavertė ir didelė lazerių gamybos, mokslinių tyrimų ekosistema, tačiau mums trūksta tų, kurie užsiimtų taikymais.
Todėl medicinos technologijų proveržiai, didesni pasiekimai – užsienyje, kur ir didesnės rinkos. O mums, lazerių gamintojams, reikia patiems ieškotis partnerių, tų, kurie integruotų mūsų lazerius į savo kuriamus aparatus. Tik svarbu pažymėti, kad lietuvių lazeriai – iš tiesų puikūs, inovatyvūs ir konkurencingi. Juk ir mes patys, EKSPLA metų pradžioje parsivežėme fotonikos „oskarą“ – „SPIE Prism Award“ – už geriausią industrinį lazerį.
Tobulėjant technologijoms ir galimybėms, lazerių poreikis auga. Jeigu grįžtume prie fotoakustikos, ji juk ne tik sutrumpina diagnostikos laiką, padidina prieinamumą, efektyvumą, ligas atrasti ir stabdyti galima daug greičiau, todėl nė neabejoju kad lazeriai ir šią sritį užkariaus.
Tiesa, ar tikrai labai greitai – nežinau, juk kiekvieną technologiją reikia ištestuoti, inovatyvius metodus – patikrinti ir išmokti skaityti jų rezultatus.
– Tad mūsų lazerių pramonėje turime kuo didžiuotis? Ar tai reiškia, kad ir tokių specialistų, gebančių dirbti tiek su naujosiomis lazerinėmis technologijomis, poreikis augs?
– Paskaitos metu KTU studentams taip pat minėjau, jog nesvarbu, ką sako žiniasklaida apie tai, kokių specialistų trūks ateinančiais metais, ar po kelerių metų (IT, AI, didžiųjų duomenų analitikų ar kt.) – žmonių, kurie gebėtų dirbti su lazeriais, juos kurti, tobulinti – reikia dabar ir reikės visada.
Ši rinka visada auga, kadangi mokslininkai atranda vis naujų būdų, kur ir kaip galima panaudoti lazerius. O Lietuva šioje srityje, galiu drąsiai teigti – yra viena iš pirmaujančių.
