В лечении опухолей необходимо максимально точно определить место ее расположения, чтобы любые воздействия приходились именно на больную ткань и по возможности меньше задевали соседние здоровые клетки. В этом ученым помогают различные диагностические устройства, к примеру, терагерцовые спектрометры и визуализаторы. Они излучают ТГц импульс на участок тела, часть его поглощается, а часть отражается. Поскольку состав больных и здоровых клеток отличается, то и отклик на такое излучение у них будет разным.

Чтобы такая диагностика был максимально точной, ТГц спектрометры и визуализаторы необходимо калибровать. Для этого операторам нужны образцы, в оптическом отклике которых они уверены. Облучая эти образцы, можно проверить, настроен ли прибор правильно, или его работу нужно скорректировать.

«Использовать для этого настоящие биологические ткани мы не можем, ― объясняет аспирант Университета ИТМО Тяньмяо Чжан. ― Их сложно получить, кроме того, есть проблемы этического характера. Наконец, остается вопрос хранения. Если мы получили какую-то ткань от человека, то уже через несколько часов под влиянием химических процессов состояние клеток меняется. Получается, что мы можем откалибровать наш прибор с их помощью лишь единожды».

Что такое фантом

Чтобы решить эту проблему, ученые создают специальные заменители, которые были бы идентичны по своим свойствам здоровой и больной ткани. При этом для калибровки разных устройств эти заменители разные. Для УЗИ-аппарата нужно вещество, похожее на человеческую ткань по акустическим свойствам, для спектрометра ― по оптическим. Такие образцы называют фантомами. Сейчас для калибровки терагерцовых спектрометров используют фантомы на основе воды. Они имеют толщину в несколько десятков микрометров и производить их очень сложно. Кроме того, они недолговечны.   

В какой-то момент ученые из лаборатории «Терагерцовая биомедицина» Университета ИТМО задумались, а можно ли решить эти проблемы и найти более простой способ для создания надежных и долговечных фантомов для калибровки терагерцовых спектрометров.    

«Однажды мы были на конференции, где общались с представителями компаний, которые занимаются терагерцовой техникой, разговорились с ними о фантомах, ― вспоминает Тяньмяо Чжан. ― Они рассказали, что образцы на основе воды нестабильны, сегодня мы их готовим, а завтра их свойства меняются, вода испаряется, и калибровку уже делать нельзя. То есть получается, что они фактически тоже на один раз. Мы провели исследование и обнаружили, что никто не делает фантомов без воды. Следовательно, необходимо выбрать твердый материал, который бы поглощал терагерцовое излучение, как это делает вода, но который бы не испарялся со временем». 

Товары для художников 

В поисках такого вещества ученые обратили свое внимание на графит, из которого состоит грифель обычного карандаша. Потенциально это вещество должно было иметь большой коэффициент поглощения терагерцового сигнала. Однако полноценных измерений в мире, насколько удалось выяснить ученым, не проводилось.

Более того, провести их не так просто, ведь, как правило, графит можно найти в виде порошка. Для измерений оптического отклика такая форма материала не годилась.

«Мы сделали несколько измерений, несколько раз ошибались, нужно было твердое тело, ― рассказывает Тяньмяо Чжан. ― Мой научный руководитель Михаил Константинович Ходзицкий, руководитель лаборатории "Терагерцовая биомедицина", посоветовал мне использовать для оценки оптических свойств графитового порошка графитовый мелок, которым пользуются художники. Я был в шоке, раньше этого не знал. Теперь все было отлично, мы смогли провести измерения». 

В результате ученые впервые провели измерения поглощения терагерцового излучения твердым графитовым объектом. Его показатели были ниже, чем у воды, но были достаточны, чтобы использовать графит для создания фантома. Конечно, показатели графита оказались меньше, чем для большинства тканей человеческого организма. И все же предполагалось, что удастся добиться таких же откликов, что и с клетками ротовой полости, одними из наиболее «сухих» в организме. 

И все же в чистом виде эту форму углерода использовать было нельзя ― он не полностью имитировал бы живые ткани. Необходимо было создать некую среду, которую было бы возможно насытить частицами графита в определенной пропорции.

Жидкий ПВХ

Ученые обратили внимание, что их коллеги из Университета Оулу используют особый жидкий поливинилхлорид, когда им необходимо создать фантомы для оптических когерентных томографов. Несмотря на то, что образцы для калибровки томографов отличаются от тех, что нужны в случае с терагерцовыми спектрометрами, эта идея заинтересовала петербургских ученых. Измерив оптический отклик ПВХ, они пришли к выводу, что из него можно сделать основу, которую потом надо будет насытить частицами графита.

Теперь вставал вопрос о том, сколько именно графита надо добавлять. Для решения таких вопросов есть специальные математические модели эффективных сред, с помощью которых рассчитывают состав вещества для получения оптимальных свойств. Однако и тут не все так просто. Моделей существует много, их применимость зависит от свойств используемых материалов, и предсказать, какая именно модель подойдет в данном конкретном случае, сложно.

Чтобы выбрать модель, необходимо сначала было провести эксперимент. Петербуржцы обратились к своим финским коллегам и попросили приготовить два образца ― в одном содержание графита в ПВХ было 10%, во втором ― 12.5%. Полученные материалы поместили под терагерцовое излучение и проверили показатель преломления и коэффициент поглощения. Далее проверили несколько моделей эффективных сред и выбрали из них подходящую, которой оказалось модель Бруггемана. Подходящая в данном случае модель позволяет сказать, какие показатели преломления и коэффициенты поглощения дают среды при определенной концентрации графита.

Два фантома и диссертация

Когда ученым удалось найти подходящую модель, они смогли рассчитать правильную концентрацию графита в ПВХ для того, чтобы сымитировать как здоровые ткани ротовой полости, так и раковые.

«Получилось, что образец с концентрацией 16,7% графита реагировал на ТГц излучение так же, как онкологическая ткань, ― рассказал соавтор исследования, доцент-исследователь, руководитель лаборатории "Терагерцовая биомедицина"  Университета ИТМО Михаил Ходзицкий. ― Образец с 21,9% содержанием графита соответствовал отклику здоровой ткани полости рта. Таким образом можно было выбрать диапазон частот, в котором оптические свойства нашего фантома идеально соответствовали бы больной и здоровой тканям, и в этой области проводить калибровку».

Работа стала одной из глав кандидатской диссертации Тянмяо Чжана и была опубликована в журнале Journal of Biomedical Optics.

Статья: Tianmiao Zhang, Ravshanjon Nazarov, Alexey P. Popov, Petr S. Demchenko, Alexander V. Bykov, Roman O. Grigorev, Anna V. Kuzikova, Victoria Y. Soboleva, Dmitrii V. Zykov, Igor V. Meglinski, Mikhail K. Khodzitskiy. Development of oral cancer tissue-mimicking phantom based on polyvinyl chloride plastisol and graphite for terahertz frequencies. Journal of Biomedical Optics, 2020/10.1117/1.JBO.25.12.123002