Спектр частот терагерцового излучения лежит между инфракрасным диапазоном, который используется, например, в телевизионных пультах, и сверхвысокочастотным — это Wi-Fi, мобильная связь и бытовые «микроволновки». Оно сильно поглощается металлами, легко проходит через большинство диэлектриков и при этом не несет разрушительного ионизирующего воздействия. Благодаря этим свойствам у терагерцовых технологий большой потенциал для прикладного использования. С их помощью можно создать безопасную альтернативу рентгеновским установкам, а в «продвинутых» аэропортах терагерцовые детекторы ищут у пассажиров оружие и контрабанду. Единственный минус — генерировать терагерцовые волны сложно, поэтому энергоэффективные источники появились относительно недавно. В России же терагерцовые технологии пока присутствуют практически только в лабораториях.
Одной из них является лаборатория терагерцовой биомедицины Университета ИТМО, в которой студенты и аспиранты работают над способами применения этого излучения в медицинских целях — для диагностики заболеваний или, к примеру, измерения концентрации глюкозы в крови. Так, молодые ученые Святослав Гусев и Мария Боровкова решили спроектировать глюкометр, который позволит больным сахарным диабетом не тратиться на тест-полоски и не прокалывать пальцы каждый день, а просто просвечивать ноготь (Святослав Гусев выступал с этой темой на Science Slam ITMO University). А их коллега, студентка пятого курса с кафедры фотоники и оптоинформатики Анна Горячук исследует применение терагерцовых волн для диагностики рака.
«Терагерцовое излучение сильно поглощается водой, и это создает проблемы, если вы хотите передавать с его помощью информацию: водяные пары в атмосфере будут гасить сигнал. Но, если говорить о медицине, это очень полезное свойство. С развитием рака вне зависимости от его типа в опухоли начинает накапливаться жидкость, и раковая область поглощает терагерцовые волны активнее, чем здоровая ткань. Моя работа сейчас основана именно на этом: мы исследуем образцы здоровой ткани и образцы опухоли методом „на отражение“, и разницу видно даже на стадии записи сигнала, без какой-либо дополнительной обработки. Интенсивность сигнала, отраженного от онкологической ткани, значительно ниже, так как она поглощает большую часть излучения», — объясняет студентка.
В международной научной лаборатории «Лучевая медицина», организованной в рамках Проекта 5−100, Анна Горячук и ее коллеги сотрудничают со специалистами Первого медицинского университета им. И. П. Павлова. Они предоставляют им для экспериментов образцы тканей после проведения операций по удалению опухолей у пациентов. Точность диагностики можно повысить с помощью спектрального анализа в терагерцовом диапазоне частот, в котором находятся резонансные частоты многих биомолекул. Каждая биомолекула обладает своими пиками интенсивности на определенных частотах, и изучение частотного диапазона позволяет установить, содержат ли ткани характерные для опухолей биомолекулы. Например, в рамках своей предыдущей работы Анна определяла содержание в онкологических клетках кожи триптофана — аминокислоты, которая скапливается в зараженных раком областях. Однако в новом исследовании она решила сосредоточиться только на одном определенном виде рака — на раке желудка. В этом случае проводить анализы на пропускание достаточно проблематично: жидкость в брюшной полости поглощает весь сигнал. Поэтому сейчас исследователи нарабатывают экспериментальную базу по сравнению интенсивности отраженных сигналов и оптических свойств этих тканей.
«Эксперименты по диагностике рака желудка с помощью терагерцовых технологий проводила группа ученых из Китая. Мы изучили их публикации и пришли к выводу, что в их исследования закралась неточность. В одной из своих статей они описали метод, с помощью которого просвечивают образцы, и затем ссылались на нее в последующих материалах. Но мы не нашли обоснования, почему это необходимо делать именно так, решили провести свою серию экспериментов и сравнить результаты. К тому же России эту область никто не изучал», — рассказывает Анна Горячук.
Сейчас эксперименты проводятся на достаточно громоздком учебном макете, и в планах инженеров лаборатории терагерцовой медицины — создание компактной установки для неинвазивной диагностики рака желудка, в которой генератор и детектор излучения будут включены в конструкцию эндоскопа. Передвижной рефлектометр позволит проводить поиск зараженных тканей прямо во время операции.
«Перед удалением опухоли хирурги, естественно, проводят предварительные анализы. Однако у больных часто возникают метастазы, которые могут развиться в новые опухоли, и их не всегда видно невооруженным глазом. Мы собираемся провести дополнительные консультации с медиками по этому вопросу, чтобы реализовать возможность сканировать большие области в поиске мелких вторичных очагов», — говорит Анна Горячук.
Анна добавляет, что на шестом курсе она поедет на обучение в Рочестерский университет (США), который является партнером Университета ИТМО и реализует с ним совместные образовательные программы. Однако работу над терагерцовой диагностикой рака желудка продолжат ее коллеги с младших курсов, и, возможно, в будущем проект будет дополнен методами диагностики других видов рака — для этого необходимо провести такие же эксперименты с тканями и расширить базу данных и режимы программ обработки.
