Матмодель ученых ПНИПУ повысит эффективность оптоволокна для медицины

Качество волоконно-оптических рассеивателей, используемых при малотравматичных терапевтических операциях, лечении сосудистых патологий и рака, поможет повысить математическая модель, разработанная учеными Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 26 сентября сообщает пресс-служба вуза.

Если для передачи информации по оптоволоконной связи важно отсутствие в волокне микродефектов, то для используемых в медицине волоконно-оптических рассеивателей, наоборот, важно их наличие.

При этом эффективная работа такого устройства обеспечивается равномерностью распределения излучения вдоль оптоволокна, зависящей от параметров микродефектов. Для того чтобы установить эти параметры, учеными Пермского Политеха была разработана математическая модель.

Оптоволокно состоит из тонких стеклянных или пластиковых нитей и используется для передачи света на большие расстояния. В последние десятилетия его широко применяют в телекоммуникациях, системах связи, медицине и ряде других областей.

В случае квазипериодического волоконно-оптического рассеивателя его структура представляет собой цепочку микропузырьков (микродефектов), заполненных кислородом и образующих почти периодическую структуру. Пузырьки создаются в сердцевине оптоволокна в результате прохождения по нему плазменной искры — оптического пробоя волокна. При этом размеры, форма и взаимное расположение этих пузырьков определяют интенсивность рассеянного излучения.

В последние годы были разработаны методы использования таких квазипериодических структур внутри оптоволокна, в том числе в медицине: для лечения сосудистых патологий; освещения раневых поверхностей и полостей; для фотодинамической и фотоимуннотерапии при лечении рака; облучения изнутри полых органов с целью уничтожения очагов инфекций и воспалений.

Это вызвало повышение интереса научного сообщества к изучению явления рассеивания света в оптоволокне такими структурами и в экспериментальных, и в теоретических работах.

Для изучения влияния параметров микродефектов, таких как форма, размер и расстояние между ними, оказывающих сильное влияние на распределение рассеянного излучения вдоль волокна, пермские ученые разработали математическую модель рассеянния светового потока в оптоволокне.

Заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук Анатолий Перминов рассказал о проведенной учеными работе:

«Мы рассмотрели участок волокна SMF-28e с микродефектами в сердцевине и оценили распределение интенсивности с боковой поверхности в зависимости от формы, размера и взаимного расположения микродефектов. Анализ результатов показал, что сферические дефекты рассеивают излучение более равномерно. Пулевидные и эллипсоидальные дают всплеск рассеянного света вблизи первых дефектов, далее вдоль структуры интенсивность резко падает».

Также было выявлено негативное влияние дефектов, близких по диаметру к сердцевине — уже на самом первом дефекте они дают самый высокий процент рассеяния излучения. Поэтому, указывают исследователи, для повышения эффективности необходимо создавать структуры микродефектов, размер которых будет меньше сердцевины волокна, а форма близка к сферической.

В ходе проведенного исследования были установлены необходимые для обеспечения оптимальных свойств оптоволоконных рассеивателей параметры периодических микроструктур, формируемых с помощью оптического пробоя внутри волокна.

Результаты исследования модели были представлены в статье «Математическая модель рассеяния излучения на квазипериодической микроструктуре оптического волокна», опубликованной в журнале «Вестник Российской академии наук: физика».