ЛАЗЕРЫ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ

' > ЛАЗЕРЫ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ

' > ЛАЗЕРЫ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ

'> ЛАЗЕРЫ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ

' /> ЛАЗЕРЫ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ

' />
Рейтинг
Порталус

© ЛАЗЕРЫ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ

Дата публикации: 11 августа 2014
Автор(ы): Марина ХАЛИЗЕВА
Публикатор: Научная библиотека Порталус
Рубрика: МЕДИЦИНА
Источник: (c) Наука в России, № 3, 2011, C. 39-47
Номер публикации: №1407776051


Марина ХАЛИЗЕВА, (c)

Марина ХАЛИЗЕВА, журналист

 

В 2010 г. научная общественность отметила 50-летний юбилей создания лазера. Его изобретение стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями XX в.: овладением ядерной энергией, освоением космоса, созданием радиолокационных устройств и производством компьютеров. Российская академия наук и ее институты провели ряд мероприятий, посвященных этой дате, завершившихся в декабре в Большом зале РАН двухдневной сессией Общего собрания, на которой свыше 500 ведущих ученых нашей страны обсуждали использование оптических квантовых генераторов в нанотехнологиях, термоядерном синтезе, метрологии, волоконной оптике и других перспективных областях науки, техники и медицины.

 

ВИРАЖИ ИСТОРИИ

 

Первый работающий лазер* продемонстрировал сотрудник исследовательской лаборатории крупной американской авиастроительной компании "Hughes Aircraft" (г. Малибу, штат Калифорния) Теодор Мейман. Активным веществом в нем служил рубин - минерал, состоящий из оксида алюминия с небольшой примесью хрома (Cr), придающего ему красный цвет. Ученый понял: разделенные большими промежутками атомы Cr могут "светить" не хуже газа. Для получения оптического резонанса он напылил тонкий слой сере-

 

 

* Лазер (транслитерация англоязычной аббревиатуры "Light Amplification by Simulated Emission of Radiation" - усиление света посредством вынужденного излучения) - оптический квантовый генератор, преобразующий энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в когерентный, монохроматический, поляризованный и узконаправленный поток (прим. ред.).

 
стр. 39

 

бра на полированные параллельные торцы небольшого цилиндра из синтетического рубина, изготовленного по специальному заказу фирмой "Union Carbide", и поместил его в спиральную трубку, дающую яркие световые вспышки. 16 мая 1960 г. из такого нехитрого, но изящного и компактного устройства вырвался яркий луч света. С этого события, отмеченного в рабочей тетради Меймана, и начался реальный прорыв человечества в лазерный век.

 

"Его можно рассматривать, - отметил, открывая форум, президент РАН академик Юрий Осипов, - как революционное достижение мировой науки XX в., изменившее облик цивилизации и ускорившее технический прогресс". Далее он остановился на фундаментальных работах, приведших к созданию генераторов и усилителей нового типа. Первый шаг в этом направлении, заметил Осипов, сделал автор теории относительности, лауреат Нобелевской премии 1921 г., почетный член АН СССР с 1926 г. Альберт Эйнштейн. Еще в 1916 г. он высказал гипотезу о существовании квантовой системы индуцированного, т.е. вынужденного, излучения (именно этот принцип и лежит в основе квантовой электроники и лазерной физики). А в 1927 г. выдающийся английский исследователь, будущий лауреат Нобелевской премии (1933 г.), иностранный член АН СССР с 1931 г. Поль Дирак обосновал и обобщил эти выводы.

 

В 1930 - 1940-е годы ученые разных стран изучали возможности "отрицательного поглощения" (т.е. усиления) в системе возбужденных атомов. В их числе был сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) Валентин Фабрикант, опубликовавший в 1940 г. докторскую диссертацию на эту тему. Спустя 10 лет он вместе с коллегами предложил новый метод интенсификации электромагнитного излучения, основанного на использовании среды, большая часть молекул которой имеет определенную избыточную энергию. Но, к сожалению, работа наших соотечественников, ставшая известной широкой публике лишь через 8 лет, прошла незамеченной, а попытки построить действующий оптический усилитель оказались бесплодными.

 

Путь к созданию лазера, подчеркнул Осипов, нашли не оптики, а радиофизики, исследующие спектры веществ в микроволновом диапазоне длин волн. Эти опыты в середине 1950-х годов активно проводили в институтах АН СССР, в частности в ФИАНе, под руководством старшего научного сотрудника Александра Прохорова и его аспиранта Николая Басова (академики с 1966 г.), а также в США, где ими занимался профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс (иностранный член РАН с 1994 г.).

 

В 1954 г. Прохоров и Басов предложили устройство молекулярного газового генератора и усилителя сантиметрового диапазона. В том же году Таунс, работавший с аспирантом Джеймсом Гордоном и научным сотрудником Гербертом Цайгером, экспериментально реализовал его на пучке молекул аммиака. Однако это и дру-

 
стр. 40

 

гие предложенные в те годы устройства охватывали СВЧ-диапазон радиоволн.

 

Следующий этап "лазерной одиссеи" начался в 1958 г., когда Басов, Прохоров и Таунс независимо друг от друга предложили создать генератор, формирующий не микроволновое, а видимое излучение, т.е. привычный нам свет. Это, собственно, и был лазер (хотя авторы изобретения назвали его мазером), через два года воплощенный Мейманом в жизнь. Труды двух наших и американского предшественников, фактически завершившие построение фундамента для создания оптического квантового генератора, в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии.

 

Таунса, недавно отметившего 95-летие, ждали в Москве на Общее собрание РАН. К сожалению, ученый не смог приехать в Россию, но прислал приветствие, отдав в нем должное работе советских коллег.

 

Демонстрация рубинового лазера, отметил далее президент РАН, дала толчок бурному развитию этой техники. В конце 1960 г. американский физик Али Джаван построил газовый генератор, работающий на смеси гелия и неона, атомы которого испускали инфракрасное когерентное излучение. В Советском Союзе такая установка, инициировавшая изучение устройств на других газообразных активных веществах, заработала в 1962 г. в ФИАНе.

 

Созданию первого полупроводникового инжекционного лазера на арсениде галлия (автор - американец Роберт Холл, 1962 г.) предшествовали теоретические исследования монокристаллов, выполненные в 1958 - 1961 гг. под руководством Николая Басова*. Именно такой тип генератора используют в волоконной оптике**. Последующие годы были насыщены техническими усовершенствованиями и изобретениями, направленными главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности техники.

 

"Сегодня, - заключил Осипов, - лазеры применяют для решения проблем энергетики (управляемый термоядерный синтез), в высокопрецизионной физике, метрологии, микро- и наноэлектронике, в космической навигации, системах связи и передачи информации, в точном машиностроении, технологиях обработки материалов, создании эффективных инструментов для медицины и в других областях человеческой деятельности".

 

В программу сессии были включены 15 докладов, охватывающих большинство из названных областей использования технических средств. А представляли их лидеры научных школ, развивающие эти прорывные направления в институтах РАН.

 

 

* См.: Н. Басов и др. На пути к лазерному термояду. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

 

** См.: А. Прохоров, Е. Дианов. Волоконная оптика: проблемы и перспективы. - Наука в России, 2001. N 1 (прим. ред.).

 
стр. 41

 

ОТ ГЕТЕРОСТРУКТУР ДО КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

 

В 2000 г. Нобелевский комитет присудил премию директору Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) академику Жоресу Алферову и американским ученым Герберту Кремеру из Калифорнийского университета (г. Санта Барбара) и Джеку Килби из фирмы "Texas Instruments" за исследования полупроводниковых гетероструктур*, начатые в конце 1950-х годов, и создание на их основе лазеров, светодиодов и сверхбыстрых транзисторов, что привело к рождению новой электроники, кардинально изменившей к концу XX в. нашу жизнь.

 

Академик Алферов в докладе "Полупроводниковые лазеры и нанотехнологии" подробно рассказал, какие работы привели возглавляемый им коллектив на вершину признания**.

 

Интерес к гетероструктурам, представляющим собой многослойный "бутерброд" из состыкованных вместе полупроводников разного химического состава, был вполне обоснован: они открывали возможность создания электронных устройств с повышенным быстродействием и информационной емкостью, уменьшенных буквально до атомных масштабов. Однако сначала не все верили в перспективность такого направления: имеющиеся кристаллы были химически неустойчивы, а размеры решеток не совпадали, что приводило при контакте к большому количеству дефектов. Экспериментаторам, признался Алферов, долго не удавалось осуществить подбор подходящих полупроводниковых пар. Но в конце 1960-х годов с появлением установок молекулярно-лучевой эпитаксии***, позволяющих изменять параметры полупроводника, возникла идея формировать нужный гетеропереход путем послойного наращивания одного монокристалла, точнее его пленки, на поверхности другого. Преодолев немало трудностей, команда будущего нобелевского лауреата в 1967 г. нашла ставшую теперь классической в мире микроэлектроники гетеропару GaAs-AlGaAs.

 

Алферов вспоминал: "Когда публиковали работу на эту тему, мы были счастливы от того, что первыми обнаружили уникальную, фактически идеальную, решеточно-согласованную систему для GaAs". Однако почти одновременно (с отставанием на месяц!) и независимо эту гетероструктуру получили в США сотрудники компании IBM. Данной проблемой занимались и в других американских фирмах - "Bell-Telephone" и RCA. Между ними и ленинградским Физико-техническим институтом, отметил докладчик, развернулась настоящая гонка - кто первым сделает полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Наши соотечественники - Алферов и его соратники Ефим Портной, Дмитрий Третьяков, Дмитрий Гарбузов, Вячеслав Андреев, Владимир Корольков - создали его в 1970 г., на месяц опередив группу Мортона Паниша из "Bell-Telephone".

 

Отметим: найденная исследователями полупроводниковая пара во многом стимулировала развитие молекулярно-лучевых эпитаксиальных технологий, что привело к созданию нового поколения оптоэлектронных устройств. В Центре физики наногетероструктур при Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе, созданном на базе небольшой лаборатории Жореса Алферова, уже в начале 1970-х годов появились лазеры с низким порогом генерации, распределенной обратной связью, высокоэффективные световоды, фототранзисторы, тиристоры, солнечные элементы. Тогда же здесь сформулировали концепцию получения гетероструктур с использованием многокомпонентных (четверных) соединений (в частности, InGaAsP), на базе которых были созданы инжекционные квантово-размерные лазеры инфракрасного и видимого диапазонов с рекордной эффективностью преобразования. Они нашли применение в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности. Алферов подчеркнул большой вклад нынешнего директора Центра члена-корреспондента РАН Петра Копьева в развитие этих технологий в России.

 

С 1993 г. здесь начали изучать свойства наноструктур пониженной размерности (квантовых проволок

 

 

* Гетероструктура (от греч. heteros - другой, иной, разный) - слоистая структура, образованная при тесном контакте двух и более разнородных полупроводников, различающихся шириной запрещенных зон, постоянной кристаллической решетки и другими параметрами (прим. ред.).

 

** См.: Р. Сурес, Э. Троип. Из плеяды прославивших Отечество. - Наука в России, 2010. N 2 (прим. ред.).

 

*** Эпитаксия (от греч. epi - на и taxis - расположение, порядок) - закономерное нарастание одного кристаллического материала на другой, при котором каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий (прим. ред.).

 
стр. 42

 

и квантовых точек - сверхмалых объектов порядка 10 нм), уже тогда понимая их перспективность для нанотехнологий. А спустя два года продемонстрировали первое устройство на их основе - инжекционный лазер на квантовых точках. Впоследствии его спектральный диапазон был расширен до 1,3 мкм - показателя, важного для применения в волоконно-оптической связи.

 

Из последних реализованных достижений Алферов назвал поверхностно-излучающие установки (свет в них распространяется вертикально вверх, перпендикулярно плоскости). Они работают как дешевый светодиод, только с идеальным качеством спектра, узкой диаграммой направленности, при этом температурно стабильны, хорошо интегрируются, поскольку очень малы (до микронных размеров). Специалистам удалось реализовать вертикальный лазер в ультрафиолетовом диапазоне - тот самый, что нужен для оптической записи.

 

ЛАЗЕРНЫЙ ТЕРМОЯД

 

На возможность использовать мощное лазерное излучение для нагрева плотной плазмы до термоядерных температур впервые обратили внимание Николай Басов и Олег Крохин (академик с 2000 г., ныне руководитель отделения квантовой радиофизики ФИАНа) в докладе на Президиуме АН СССР в марте 1962 г., а через год на 3-й Конференции по квантовой электронике (Париж, Франция) ученые дали первые теоретические оценки. Интерес к теме был настолько велик, что вскоре появилось независимое научное направление - лазерный термоядерный синтез. Крохин и его коллега член-корреспондент РАН Сергей Гаранин из Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики* (г. Саров, Нижегородская область), где созданы самые мощные в стране и Европе лазерные установки, рассказали о некоторых этапах его становления у нас и планах на будущее.

 

Лазерный свет обладает способностью выделять значительную энергию за короткий промежуток времени. Уже в 1962 г., заметил Крохин, наши ученые показали: можно создавать импульсные источники с энергией излучения 100 Дж в течение 1 н/с мощностью порядка 1011 Вт. Если направить луч такой силы на вещество, оно мгновенно, без плавления, испарится (физики называют это сублимацией процесса). А если лазерное излучение сфокусировать, то, скажем, на 1 мм2 придется уже 1013 Вт - это, по сути, мощность всех электростанций мира! Плотность энергии, ее концентрация огромны: в точке фокуса температуры достигают уровня, необходимого для инициирования термоядерных реакций. Значит, лазерное излучение можно использовать для осуществления управляемого термоядерного синтеза. "Рецепт", как это сделать, подсказали Басов и Крохин в 1964 г.: обжимать и нагревать дейтерий-тритиевые мишени мощными лазерными пучками, самой природой предназначенными для быстрого ввода в малый объем огромной порции энергии.

 

Эксперименты по достижению высоких плотностей и температур сжимаемого топлива начали в середине 1970-х годов в ФИАНе, где под руководством Басова и Прохорова разработали первые устройства для получения нейтронного импульса из плазмы, нагреваемой излучением лазера.

 

Сначала опыты проводили на установке "Кальмар", 9 лучей которой строго одновременно били по дейтериевой мишени - шарику диаметром всего 0,2 мм, расположенному в вакуумной камере. Однако мощность ее была далека от требуемой, при этом в наиболее удачных экспериментах удавалось фиксировать появление нейтронов - предвестников начинающейся термоядерной реакции. И хотя их было немного, само наличие свидетельствовало: ученые идут верным путем.

 

Впоследствии лазеры совершенствовались, возрастала их мощность, видоизменялась мишень. Чтобы оценить сложность задач, приведем такой пример. Расчеты теоретиков показывали: реакция будет протекать лучше, если газообразный дейтерий сначала закачать под давлением в 100 атм в стеклянный шарик диаметром 100 - 200 мкм, причем толщина его стенок не должна превышать 2 - 3 мкм и при этом по всей поверхности быть совершенно одинаковой (отклонение - не больше 1%)! Изготовить хотя бы одно такое "изделие" - задача не из легких. Но в ФИАНе решили ее, причем сравнительно быстро. В другой системе - "Дельфин" - было 212 лучей, каждый из которых более чем в 100 раз превосходил по мощности луч "Кальмара". Уже в начале опытов температура в центре мишени этой установки достигла 100 млн. °C, а нейтронов выделялось в 10 тыс. раз больше.

 

Но распад СССР, по признанию Крохина, сильно повлиял на отечественные проекты по лазерному тер-

 

 

* См.: А. Водопшин. В гостях у академика Харитона. - Наука в России. 2009, N 5 (прим. ред.).

 
стр. 43

 

моядерному синтезу. "Финансовая программа к началу 1990-х годов фактически остановилась, мы уже не могли эффективно эксплуатировать даже имевшиеся к тому времени экспериментальные установки, - сказал он. - Сейчас главной научной организацией в данной области исследований в нашей стране является Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики в Сарове".

 

Представлявший его Сергей Гаранин акцент в сообщении сделал на последних разработках коллектива в физике и технике термоядерного синтеза, хотя темой взаимодействия лазерного излучения с веществом его подразделение занимается уже свыше 40 лет. В институте работали над созданием в основном химических и газовых лазеров, но в последнее время интерес сместился в сторону мощных неодимовых систем мегаджоулевого уровня.

 

В 1999 г. здесь выполнили проект установки нового поколения - "Искра-6" с параметрами излучения, позволяющими вплотную подойти к порогу зажигания термоядерной реакции. А для проверки ее научно-технических решений сконструировали модуль "Луч" (2001 г.) с повышенным КПД, двумя силовыми усилителями, в каждом из которых - 9 пластин из неодимового фосфатного стекла, и размером сечения лазерного пучка 20×20 см. "Чистота помещения здания, в котором она расположена, - отметил Гаранин, - 300 пылинок в 1 м3, а в наиболее ответственных частях системы этот показатель еще выше - 3 пылинки в 1 м3". Техника, построенная на отечественной элементной базе, - плод усилий практически всех ведущих лазерных центров России. В ее создании принимали участие Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, Институт прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), Научно-производственное объединение "Луч"

 
стр. 44

 

(г. Подольск Московской области) и другие организации. "Луч", - заметил докладчик, - установка национального масштаба, открытая для всех, кто ищет надежное и быстрое решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Успешный опыт ее работы сегодня позволяет обоснованно и на новом уровне подойти к созданию системы следующего поколения с энергией лазерного излучения 4,6 МДж. Ее планируемые параметры превосходят характеристики действующей вЛиверморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США) установки NIF и создаваемой во Франции LMJ".

 

НА БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

 

В последнее десятилетие все большее развитие получают исследования с использованием электромагнитного излучения терагерцового (субмиллиметрового) диапазона частот. Источник такого типа - лазер на свободных электронах с рекордно высокой мощностью 0,5 кВт - создали в 2003 г. в Сибирском центре фотохимических исследований СО РАН специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера (г. Новосибирск). В 2009 г. здесь получили режим генерации вынужденного излучения на второй очереди системы - это существенно расширило спектр мультидисциплинарных исследований на установке. Почему химики, биологи, геологи, физики твердого тела - ученые, представляющие 12 институтов СО РАН и Новосибирского государственного университета, проявляют такой интерес к экспериментам на ней? Ответ на вопрос дал один из создателей техники доктор физико-математических наук Николай Винокуров.

 

Лазеры на свободных электронах, сказал он, используют явление вынужденного так называемого ондуляторного излучения. Эту идею, точнее само устройство - ондулятор, где электрон движется по волнообразной траектории, за счет чего частица и излучает, - в 1947 г. предложил будущий лауреат Нобелевской премии 2003 г. академик (с 1966 г.) Виталий Гинзбург. Изначально он предназначался для детектирования космических лучей, но позже стал необходимым элементом в генераторах коротковолнового электромагнитного излучения. В 1960 г. американец Роберт Филлипс встроил его в вакуумный электронный прибор - убитрон, ставший прототипом лазера на свободных электронах. Но первым источник терагерцового излучения продемонстрировал соотечественник Филлипса Джон Мэйди из Стэнфордского университета (1976 г.).

 

В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера первопроходцами были доктора физико-математических наук Владимир Байер, Александр Мильштейн, Николай Винокуров и академик (с 1970 г.) Александр Скринский*. Работа двух последних "О предельной мощности оптического клистрона" (1977 г.) фактически открыла новое направление, связанное с созданием лазера на свободных электронах на базе ускорителей-рекуператоров.

 

Основное достоинство подобных установок, заметил Винокуров, - в способности создавать монохроматическое излучение на любой заданной длине волны (от 0,1 нм до 1 мм - 7 порядков) и плавно ее перестраивать. Другие лазеры работают в более узких диапазонах. Пиковая мощность излучения здесь может достигать ~ 100 кВт при сохранении дифракционного качества источника излучения. Кроме того, устройство способно мягко преобразовывать энергию электронного пучка в электромагнитное излучение, т.е. его можно "приравнять" к электронно-лучевой трубке, применявшейся в старых телевизорах, или радиолампе. По словам Винокурова, 5 лет назад подобных источников в мире вообще не было, сегодня их обладателями, помимо СО РАН, стали Американский национальный центр ускорителей (Лаборатория Джефферсона) и Японский институт атомных исследований в г. Такай.

 

Сибирский лазер работает на ускорителе-рекуператоре. Это, как сказал Винокуров, самостоятельное техническое достижение. Для чего они нужны? Дело в том, что электроны, пропущенные через ондулятор, передают в электромагнитное излучение не более 1% от мощности пучка. Что делать с оставшейся энергией? Попытаться вернуть в ускоритель. В технике этот прием, заложенный учеными Института ядерной физики им. Г. И. Будкера на начальной стадии проектирования, называют рекуперацией. Иными словами, возвращая "отработанный" пучок в систему, специалисты возмещают всю затраченную на входе мощность, бо-

 

 

* См.: А. Скринский. Познание материи. - Наука в России, 2007, N 6 (прим. ред.).

 
стр. 45

 

лее того, увеличивают ее только за счет постоянной циркуляции электронного пучка в системе. Таким образом, рекуперация дает большой ток и сводит на нет радиационную опасность установки. Кстати, в 2009 г. Николаю Винокурову присудили Государственную премию РФ "За разработку и создание лазеров на свободных электронах".

 

Установка уже стала центром коллективного пользования. Сотрудники Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (г. Новосибирск) намерены с помощью терагерцового излучения изучить расщепление молекул. У этой фундаментальной работы есть прикладной интерес: в случае удачи можно будет приступать к созданию новых технологий напыления веществ на поверхности.

 

В лаборатории лазерной фотохимии Института химической кинетики и горения (г. Новосибирск), на территории которого располагается система, уже много лет исследуют химические реакции под действием света. Сначала использовали CO2-лазер с длиной волны около 10 мкм, для чего специально синтезировали молекулы. Теперь же потребность в этом отпадает: есть источник большой мощности, позволяющий работать с молекулами не на избранной, а на любой длине волны. И еще. В кооперации с новосибирскими коллегами из Института цитологии и генетики* и Института ядерной физики им. им. Г. И. Будкера химики совершенствуют метод так называемой "мягкой абляции" (от лат. ablatio - отнятие) - перевода молекул (например, ДНК, наночастиц) из твердой или жидкой фазы в аэрозольную под действием терагерцевого излучения с целью дальнейшего анализа. Эту работу можно выполнять только здесь: низкая энергия кванта (~0,01 эВ) не разрушает ковалентные связи молекул, потому они сохраняют биологическую активность.

 

КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ В ПОЛИМЕРЕ

 

Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (г. Шатура Московской области) в последние годы успешно осваивает новое направление - лазерную стереолитографию (технологию оперативного изготовления прототипов, макетов и функциональных объектов по их трехмерным компьютерным моделям). Этой теме академик Владислав Панченко посвятил большую часть своего доклада, что говорит о чрезвычайной востребованности разработок коллектива, прежде всего в медицине.

 

А инициированы они были в начале 1994 г. Центром судебно-медицинской экспертизы Минздрава РФ, занимавшимся тогда идентификацией останков бывшего российского императора Николая II, его семьи и слуг, расстрелянных в подвале дома Ипатьева в Екатеринбурге в ночь с 16 на 17 июля 1918 г. и найденных под насыпью Старой Коптяковской дороги недалеко от города. В 1995 г. в институте по данным рентгеновского компьютерного томографа впервые в России изготовили с точностью, пригодной для проверки соответствующими органами, пластиковую копию черепа человека, обнаруженного в захоронении. Опыт оказался настолько удачным, что тема "лазеры в биомедицине" вошла в число приоритетных.

 

До недавнего времени, отметил Панченко, единственно объективным и быстрым способом получения информации о посттравматических дефектах, инородных предметах, состоянии имплантантов и эндопротезов, следов оперативного вмешательства на костях у живого человека была рентгенограмма. Однако, будучи двумерным изображением рентгеновской "тени" изучаемого объекта, она не передавала все особенности его формы, рельефа поверхности, более того, искажала истинные размеры. С внедрением в клиническую практику компьютерной томографии появились высокоточные трехмерные модели различных структур и органов человека. Тем не менее в первой половине 1990-х годов для полного их набора, не-

 

 

* См.: В. Шумный. Приоритеты биологии. - Наука в России, 2007, N 5 (прим. ред.).

 
стр. 46

 

обходимого, например, для построения черепа, требовалось примерно 10 ч. А магнитно-резонансные томографы в то время костную ткань практически "не видели". Лишь распространение в конце 1990-х годов спиральных рентгеновских компьютерных установок кардинально изменило ситуацию: скажем, томограмма головы пациента стала рутинной процедурой продолжительностью не более 1 мин. Это и стимулировало внедрение стереолитографии в медицинскую практику: врач получил в дополнение к виртуальным трехмерным компьютерным моделям их вещественные копии.

 

В данной технологии (ее еще называют быстрым прототипированием), подчеркнул Панченко, сконцентрированы последние достижения в области квантовой электроники, нелинейной оптики, физики и химии высокомолекулярных соединений, прецизионной механики. А суть ее состоит в следующем. Сначала с помощью рентгено- и магнитно-резонансной томографии специалист получает трехмерное изображение, например исследуемого черепа. Далее модель разделяют на тончайшие слои и информацию о каждом передают на компьютер, соединенный со стереолитографической установкой. Лазерный луч, направляемый сканатором, "переносит" ее в специальную емкость, заполненную жидким фотополимеризующимся композитом. В этом процессе нет необходимости отверждать весь объем целиком. Наоборот, надо "склеивать" на каждом слое только элементы детали и оставлять жидким окружающее пространство. С этой целью и используют управляемый лазерный пучок, "указывающий", каким зонам нужно полимеризоваться, а каким нет. В результате неосвещенные участки остаются жидкими, а освещенные - твердеют, формируя тело детали-прототипа. И врач получает точную полимерную копию исходной компьютерной модели черепа пациента, что дает ему возможность составить анатомические нюансы конкретного больного, определить методику операции и заранее разработать ее план.

 

Технологии предоперационного биомоделирования освоены в 25 клиниках различных регионов России, их применяют в онкологии, нейро-, челюстно-лицевой, реконструктивной хирургии и других областях здравоохранения.

 

Разработанные в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН стереолитографические установки ЛС-120, ЛС-250, ЛС-350/500 позволяют оперативно создавать модели, узлы, детали и конструкции любой формы и сложности, причем использовать их можно не только в медицине, но и в аэрокосмической, автомобильной, энергетической промышленности. Заметим, выпускают их только фирма "3-D System" (США) и наш подмосковный институт. В 2009 г. его директор Владислав Панченко и коллеги-медики - заместитель директора НИИ нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко доктор медицинских наук Александр Потапов, директор Научно-исследовательского онкологического института им. П. А. Герцена доктор медицинских наук Валерий Чиссов были удостоены Государственной премии РФ "За комплекс научных работ по развитию лазерно-информационных технологий для медицины".

Опубликовано на Порталусе 11 августа 2014 года

Новинки на Порталусе:

Сегодня в трендах top-5


Ваше мнение?



Искали что-то другое? Поиск по Порталусу:


О Порталусе Рейтинг Каталог Авторам Реклама