Лазерный мир

Мюнхенский центр передовых лазерных приложений работает над лазерной рентгенографией. Рентгеновские технологии уже развиваются с невероятной скоростью.

 Если бы у медицинской визуализации был доступ к рентгеновским лучам с интенсивностью синхротронного излучения, было бы возможно обнаружить крошечные раковые опухоли, прежде чем они метастазируют. Но для генерации синхротронного излучения требуются очень дорогие ускорители частиц. Следовательно, это не практично для рентгенографии, которая делает видимыми структуры тонкой ткани.

Ученые из Центра современных лазерных технологий (CALA) в исследовательском кампусе Garching возле Мюнхена не готовы смириться с  этим. Они работают над созданием рентгеновского излучения с высокой яркостью с использованием ультракоротких импульсных (USP) лазеров в компактных помещениях, чтобы сделать его доступным для медицинской диагностики.

Высокотехнологичные лазеры генерируют ультракороткие петаваттные импульсы

Центральными элементами CALA являются две лазерные системы: современный титан-сапфировый лазер (AT-LAS) и синтезатор петаваттных полей (PFS-pro). ATLAS выдает 20 фемтосекундных (фс) лазерных импульсов, которые достигают пиковой мощности до трех петаватт (3 ПВт). Усилитель от Thales увеличивает энергосодержание лазерных импульсов с 2,5 до 60 джоулей. Исследователи направляют эту чрезвычайно концентрированную энергию на атомы водорода, чтобы вырвать электроны и разогнать их почти до скорости света. Если эти ускоряющиеся электроны сталкиваются с сильными плазменными полями, индуцированными лазером, они начинают колебаться и испускают рентгеновское излучение с высокой яркостью. В то время как свет проходит примерно 6 мкм за 20 фс, электроны могут высвобождаться и возбуждаться в очень маленьком пространстве. Возможны компактные источники синхротронного излучения для клинической диагностики.

Мюнхенские исследователи уже провели томографии мышей, насекомых и образцов человеческих костей. В дополнение к ATLAS они также использовали лазерную систему PFS-pro, которая обеспечивает интенсивные сверхкороткие световые импульсы от трех выходных каналов. Одним из них является источник рентгеновского излучения SPECTER. Лазер USP производит электронный пакет в вакуумной камере. Ученые направляют на него второй лазерный луч, который заставляет электроны колебаться и излучать рентгеновские лучи высокой интенсивности.

Инновационная диагностика и лечение

В CALA исследователи из Мюнхенского университета им. Людвига Максимилиана (LMU), Технологического университета (TU) и Института квантовой оптики им. Макса Планка имеют доступ к испытательной установке  (Electron and Thomson Test Facility, ETTF). При этом они могут ускорять высвобождаемые электроны с помощью лазера ATLAS в диапазоне нескольких гигаэлектронвольт (ГэВ) и генерировать электронные пучки с ранее недостижимой комбинацией заряда электрона и плотности фазового пространства. Это предшественники блестящих рентгеновских лучей, которые дадут врачам полную прозрачность в будущем.

Одним из ключевых подходов является фазово-контрастная рентгенография. Вместо использования поглощения рентгеновских лучей в ткани используется волновой характер высокочастотного, чрезвычайно коротковолнового света: при рентгеновском облучении ткани наблюдаются минимальные удельные сдвиги фаз. С помощью оптической решетки ученые в Мюнхене могут точно определить эти помехи и преобразовать их в чрезвычайно детальные рентгеновские изображения, используя разработанное ими программное обеспечение для обработки изображений.

Но мюнхенская высокотехнологичная лазерная система может сделать еще больше: ATLAS и PFS-pro также используются в качестве источников «лазерного ускорения ионов» (LION), которое позволит более эффективно излучать злокачественные мутации тканей. Для этого лазеры выделяют ионы из углеродной пленки и ускоряют их примерно до одной десятой скорости света. Это позволяет ученым использовать ионное излучение с лазерами USP. Если лазерно-индуцированное рентгеновское и ионное излучение может быть перенесено в клиническую практику, оно может сочетаться с ранним обнаружением рака прямым излучением без необходимости перемещать пациентов между облучениями. Комбинированные рентгеновские и ионно-лучевые устройства на основе лазеров могут сэкономить пациентам мучительное время ожидания и раздражающие поездки между диагностикой и лечением.

Эволюция рентгеновских технологий

Не только исследователи CALA верят в свои технологии. Французские эксперты USP в Amplitude Laser также убеждены, что лазерные рентгеновские источники произведут революцию в медицинской визуализации. Как скоро это произойдет, пока неизвестно. Тем не менее, такие производители, как Agfa Healthcare, Canon и Philips, развивают рентгеновские технологии с невероятной скоростью. Например, хирурги с мобильными C-образными дугами могут получать рентгеновские изображения пациента с высоким разрешением во время операций. И беспроводные компактные устройства для рентгеновских пациентов, которые не могут быть транспортированы, в больничных койках. Благодаря цифровым изображениям и беспроводной передаче данных, такие рентгеновские системы могут быть легко интегрированы в полностью сетевой мир данных современных больниц.

Источник: https://world-of-photonics.com/about/industry-topics/technologies/2019/laser-based-x-ray-imaging/index.html