Ученые разработали новый метод анализа и отображения внутренней структуры улитки — ключевого органа слуха, расположенного в глубине внутреннего уха. Метод основан на использовании микроскопа с точечным источником терагерцовых лучей, который позволяет проникать через костные структуры и анализировать изменения в клеточной структуре тканей. Ученые использовали машинное обучение, чтобы выделить ключевые детали из 2D-изображений. Также они создали 3D-реконструкцию внутреннего уха путем измерения времени прохождения сигнала между источником и детектором. Новый метод может стать основой для разработки новых подходов в диагностике заболеваний уха. Исследование опубликовано в журнале Optica.
Внутреннее ухо — основная часть слуховой и вестибулярной системы, расположенная в костной структуре головы. Оно включает улитку (отвечает за преобразование звуковых волн в электрические сигналы) и вестибулярный аппарат (трех полукружных каналов и двух мешочков, обеспечивающих равновесие). Диагностика заболеваний внутреннего уха включает различные методы для получения информации о состоянии органа слуха. Некоторые методы позволяют визуально оценить состояние наружного уха и барабанной перепонки. Другие измеряют остроту слуха и электрическую активность улитки. Для более детального изучения строения внутреннего уха исследователи применяют методы, позволяющие составить изображение костных и мягких тканей, такие как КТ и МРТ. Однако традиционные методы имеют недостатки: некоторые из них часто требуют введения пациенту датчиков, но не дают полной картины; другие — сложного оборудования или дорогостоящих процедур.
Исследователи разработали новый метод визуализации внутренней структуры улитки уха мыши с помощью терагерцового излучения. Для этого они создали миниатюрный источник волн, используя фемтосекундный лазер с длиной волны 1,5 мкм, который направляли на подложку из арсенида галлия (GaAs). Фемтосекундный лазер — это устройство, которое генерирует сверхкороткие импульсы света, длительность которых составляет от нескольких фемтосекунд (10-15 секунды) до нескольких сотен фемтосекунд. Это позволило генерировать терагерцовое излучение диаметром всего 20 микрон — в тысячу раз меньше, чем в обычных системах. Образец улитки помещали прямо на подложку, что обеспечило детальную фиксацию сигналов.
«До сих пор не было способа наблюдать внутреннюю структуру улитки без ее разрушения с высоким разрешением. Ключевой особенностью нашей работы стало использование особых кристаллов для получения терагерцовых волн в ближнем инфракрасном диапазоне с длиной волны 1560 нм. Это имело решающее значение для нашей технологии получения изображений», — рассказала Кадзунори Серита из Университета Васэда в Японии.
Чтобы проверить проникновение волн, ученые сравнили два образца: пустую улитку и заполненную металлическим материалом. Разница в отражении сигналов подтвердила, что излучение проходит внутрь органа. Для анализа данных применили алгоритм машинного обучения (кластеризация k-means), который автоматически выделял структурные особенности на 2D-изображениях. Это помогло создать трехмерные модели, преобразуя временные задержки сигналов в глубину с помощью времени пролета.
В дальнейшем ученые планируют изменить размеры оборудования, чтобы ввести его через слуховой канал, и усилить источник излучения для преодоления жидкости внутри уха. В перспективе технология может быть использована в эндоскопах и отоскопах для ранней диагностики потери слуха и обнаружения рака.
Автор: Оксана Гриценко.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
