голограмма что это в медицине

Голограмма что это в медицине

Свертываемость крови – защитный механизм человеческого организма, который помогает избежать больших кровопотерь при повреждениях тканей. Данный процесс очень сложный и состоит из нескольких этапов, поэтому исследование проводится сразу по нескольким параметрам.

Если в организме или на поверхности кожи есть повреждение, из которого течет кровь, организм моментально активирует систему коагуляции, которая закупоривает протекающий сосуд кровяным сгустком. Данный процесс называется каскад коагуляции – он зависит от ряда факторов. Отсутствие хоть одного из них может привести к очень серьезным последствиям, вплоть до летального исхода. Конечным результатом коагулятивной цепочки является образование нерастворимых нитей фибрина, которые соединяются в месте повреждения с тромбоцитами, вследствие чего возникает стабильный сгусток крови. Он предотвращает чрезмерную потерю крови и остается на месте до тех пор, пока поврежденная область не затянется рубцовой тканью. Затем активируются другие факторы, которые значительно замедляют свертывание крови, после чего растворяют сгусток. Спустя некоторое время он полностью исчезает.

Циркуляция крови в организме человека зависит от множества факторов, среди которых – скорость образования и рассасывания тромбов. Если они образуются чрезмерно, в итоге это приводит к закупориванию сосудов. Если же тромбы образуются в недостаточном количестве, это чревато развитием серьезных кровотечений. Тромбоз у беременных женщин очень опасен, ведь он может привести к отслойке плаценты и даже выкидышу. Если у человека наблюдается высокая свертываемость крови, это может привести к осложнениям ишемической болезни сердца и ряду других патологий.

У здоровых людей образование и удаление сгустков крови сбалансировано. Таким образом организм гарантирует, что кровотечение не приведет к чрезмерной потере крови, а также не станет причиной возникновения тромбоза из-за чрезмерного образования фиброзных сгустков. Если у человека наблюдаются проблемы со свертываемостью крови, это может привести к ряду серьезных последствий, ведь у них снижено количество тромбоцитов или факторов свертывания, что в итоге может привести к непредсказуемому результату даже при небольшом повреждении. В лабораторных условиях можно оценить основные этапы коагуляционного каскада. Исследование проводится с помощью специального компьютерного оборудования. Лаборант проверяет образец крови, добавляя туда особые вещества, после контакта с которыми биологический материал начинает процесс коагуляции. Засекается время, в течение которого образец сворачивается. Также измеряются белковые факторы, являющиеся неотъемлемой частью коагуляционного каскада. С помощью полученной информации можно диагностировать ряд дефектов или проблем с факторами свертывания.

На коагуляционный каскад могут повлиять такие факторы, как беременность, наличие воспалительных процессов или инфекционных заболеваний. Может увеличиться как кровоточивость, так и тромбообразование. Данное исследование очень популярно и проводится довольно часто. Основной его целью является оценка способности организма контролировать процесс свертывания крови в случае возможного кровотечения. Данное исследование обязательно в родах, при операции и в ряде других ситуаций. Также назначается пациентам для оценки имеющихся отклонений в коагуляционном каскаде на фоне имеющихся патологических состояний и заболеваний.

Коагулограмма расшифровка анализа

Для проведения анализа требуется проведение нескольких сложных биохимических реакций. Это может занять от 24 до 48 часов. Немаловажен и график работы медицинского заведения, а также то, является ли оно отдельной лабораторией или посредником.

Нормальные значения коагулограммы приведены в таблице ниже:

Источник

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

Читинская Государственная Медицинская Академия

Кафедра медицинской физики и информатики

Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

1. Историческая справка.

2. Понятие голографии и голограммы.

3. Голограмма плоской волны.

4. Голограмма точки.

6. Свойства голограмм.

7. Источники света в голографии, регистрирующие материалы.

8. Применение голографии в медицине.

2.1. Историческая справка.

Основы голографии были заложены в 1948 физиком Д. Габором (Великобрита­ ния). Желая усовершенствовать элект­ ронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электрон­ ных волн путём наложения на пред­метную волну попутной когерентной опорной волны. Модельные оптические опыты Габора положили начало голографии. Однако отсутствие мощных источников когерентного света не позволило ему получить качественных голографического изображений.

К 1965 —1966 были созданы теоретически и экспериментально ос­ новы голографии.

В последующие годы развитие голографии идёт главным образом по пути совершенство­ вания её применений.

2.2. Понятие голографии и голограммы.

Голография — метод записи и восстановления изображения, ос­ нованный на интерференции и дифракции волн.

Изложение голографии уместно начать сравнением с фотогра­ фией.

При фотографировании на фотопленке фиксируется интен­ сивность световых волн, отраженных предметом. Изображение в этом случае является совокупностью темных и светлых точек. Фазы рассеиваемых волн не регистрируются, и таким образом пропадает значительная часть информации о предмете.

Голография же позволяет фиксировать и воспроизводить более полные сведения об объекте с учетом амплитуд и фаз волн, рас­ сеянных предметом. Регистрация фазы возможна вследствие интер­ ференции волн.

С этой целью, на светофиксирующую поверхность посылают две когерентные волны:

a) опорную, идущую непосредствен­но от источника света или зеркал, которые используют как вспомо­ гательные устройства, и

b) сигнальную (предметную), которая появляется при рас­ сеянии (отражении) части опорной волны предметом и содержит соответствующую информацию о нем.

Интерференционную картину, образованную сложением предметной и опорной волн, и зафиксированную на светочувствительной пластинке, называют голограммой.

Тогда, другими словами, ГОЛОГРАФИЯ (от греч. holos — весь, полный и grapho — пишу), способ записи и восстановления волн, поля, основанный на регистрации интерфе ренционной картины, которая образована вол­ ной, отражённой предметом, освеща­ емым источником света (предмет ная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна; рис. 1(штриховкой показаны зеркала).).

Рис.1. Схема получения голограммы.

Для восстановления изображения голограмму освещают той же опорной волной. Голограмма, освещённая опор­ ной волной, создаёт такое же ампли­тудно-фазовое пространств, распреде­ ление волн, поля, которое создавала при записи предметная волна. Т. о., в соответствии с Гюйгенса — Френеля принципом, голограмма преобразует опорную волну в копию предметной волны (рис.2.).

Рис.2. Схема восстановления волнового фронта.

Пусть интерференционная структура, об­разованная опорной и предметной вол­ нами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки го­ лограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в которых её фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем про­ зрачнее, чем большей была интенсив­ ность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в её плоскости непо­средственно за ней образуется то же распределение амплитуды и фазы, которое было у предметной волны, что и обеспечивает восстановление по­ следней.

Для восстановления предметной вол­ ны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на ин­ терференционной структуре голограммы в дифракциальном пучке первого порядка вос станавливается копия предметной вол­ны, образующая неискажённое мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании.

В случае двух­ мерной голограммы одновременно вос­ станавливается сопряжённая волна минус первого порядка, образующая искажённое действительное изображение предмета. Углы, под которыми распро­ страняются дифракциальные пучки нулевых и первых порядков, определяются уг­лами падения на фотопластинку пред­ метной и опорной волн. В схеме Га бора источник опорной волны и объ ект располагались на оси голограммы (осевая схема). При этом все три волны распространялись за голо­ граммой в одном и том же направ­ лении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие поме­ хи были устранены наклоном опорной волны (в неосевая схема).

Покажем на некоторых примерах, как получается голограмма и восстанавливается изображение.

Опорная волна II падает нормально, поэтому во всех точках фотопластинки одновременно ее фаза одинакова. Фазы предметной волны вследствие ее наклонного падения различны в разных точ­ ках светочувствительного слоя. Из этого следует, что разность фаз между лучами опорной и предметной волн зависит от места встречи этих лучей на фотопластинке и, согласно условиям максимумов и минимумов интерференции, полученная голограмма будет состоять из темных и светлых полос.

Пусть АВ (рис.3., б) соответствует расстоянию между цен­ трами ближайших темных или светлых интерференционных полос. Это означает, что фазы точек А и В в предметной волне отличают­ ся на 2π. Построив нормаль АС к ее лучам (фронт волны), нетруд­ но видеть, что фазы точек А и С одинаковы. Различие фаз точек В и С на 2π означает, что .

Из прямоугольного Δ АВС име­ ем: . (1)

Направив на голограмму опорную волну I (рис.4.) и осущест­ вим дифракцию. Первые главные максимумы соответствуют направлениям . Подставив АВ из (1) вместо с, имеем (2)

Откуда . (3)

Из (3) видно, что направление волны I ‘ (рис.4.), диф­ рагированной под углом α, соответствует предметной: так восста­ навливают волну, отраженную (рассеянную) предметом. Волна I » и волны остальных главных максимумов (на рисунке не показаны) также воспроизводят информацию, зафиксированную в голограмме.

Хотя в данном примере предмет ная волна является сфери­ ческой, можно с некоторым приб­ лижением применить формулу (2) и заметить, что по мере увеличения угла α1 (см. рис. 3., б) уменьшается расстояние АВ между соседними полосами. Нижние дуги на голограмме (рис. 5., б) расположены более тесно.

Если вырезать из голограммы узкую полоску, показанную пунктирными линиями на рис. 5., б, то она будет подобна узкой дифракционной решетке, постоянная которой уменьшается в направлении оси X . На такой решетке от­клонение вторичных волн, соответствующих первому главному максимуму, возрастает по мере увеличения координаты х щели становится меньше, | | —больше.

Таким образом, при восстановлении изображения плоской опор­ ной волной дифрагированные волны уже не будут плоскими.

Так как рассеянные предметом волны попадают совместно с опорной волной во все точки голограммы, то все ее участки содер­ жат, информацию о предмете и для восстановления изображения не обязательно использовать полностью всю голограмму. Следует, однако, заметить, что восстановленное изображение тем хуже, чем меньшую часть голограммы для этого применяют. Из рис.6. видно, что мнимое и действительное изображения образуются и в том случае, если восстановление осуществляют, например, нижней половиной голограммы (штриховые линии), однако изображение при этом формируется меньшим количеством лучей.

Структура голо­ граммы зависит от способа формиро­ вания предметной и опорной волн и от способа записи интерференционной кар­ тины. Предмет освещается пучком когерентного света, рассеянная им световая волна, несущая информацию о предмете, падает на фотопластинку, освещаемую опорным пучком. В за­ висимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптических элементов между ни­ ми, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы пли сфокусировав на неё (рис. 7, а), то амплитудно- фазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости пред, мета (голограмма с ф о к у с и рованного изображения ).

В случае без линзовой Фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рис. 7, д). При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В ре­ зультате структура и свойства голо­ граммы практически такие же, как у фурье-голограммы.

Голограм­ мы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну (рис. 7, в). По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в го­ лограммы Фраунгофера, а с умень­ шением этого расстояния — в голо­ граммы сфокусированных изображений.

Рис.7. Схемы получения голограмм различных типов: а) голограмма сфокусированного изображения; б)голограмма Фраунгофера; в)голограмма Френеля; г)голограмма Фурье; д)безлинзовая фурье – голограмма; 1- предмет; 2- фотопластина; f — фокусное расстояние линзы.

При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система стоя­ чих волн, максимумы которых соот­ ветствуют зонам, в которых интерфери­ рующие волны находятся в одной фазе, а минимумы — в противофазе. Для точечного опорного источника О1 и точечного предмета О2, поверхности максимумов и минимумов представ­ ляют собой систему гиперболоидов вращения (рис. 8). Пространственная ча­ стота v интерференционной структуры (ве­ личина, обратная её периоду) опре­ деляется углом α, под которым сходятся в данной точке световые лучи, исхо­ дящие от опорного источника и пред­ мета: где λ — длина волны. Плоскости, касательные к по­верхности узлов и пучностей в каждой точке пространства, делят пополам угол α.

Рис.8.Пространственная интерференционная структура, образующаяся в случае точечных объекта О1 и источника света О2: I – расположение пластины в схеме Габора; II – в схеме Лейта и Упатниекса; III – при записи голограммы на встречных пучках; IV – при записи безлинзовой фурье – голограммы.

В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голо граммы, угол α близок к нулю и ν минимальна. Осевые голограммы называются также однолучевыми, так как используется один пучок света, часть которого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения,— опорную волну,

В схеме Лейта и Упатниекса коге­рентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (двухлуче вя голограмма). Для двух лучевых голограмм v выше, чем для однолучевых (требуются фотоматериа­лы с более высоким пространств, разрешением). Если опорный и пред­ метный пучок падают на светочувст вительный слой с разных сторон (α

Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из нескольких способов: например, с помощью фазовой или амплитудной модуляции, а иногда одновременно осуществляется и фазовая и амплитудная модуляции.

2.6. Свойства голограмм.

a) Основное свойство голограммы, отличающее её от фотографического снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется лишь распределение амплитуды падающей на неё предмет­ ной световой волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистри­ руется и распределение фазы пред­ метной волны относительно фазы опор­ ной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голо­ грамме в виде контраста интерфе­ ренционного рельефа, а информация о фазе — в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении опорной волной восста­ навливает копию предметной волны;

b) Свойства голограммы, регистриру­ емой обычно на негативном фотома­ териале, остаются такими же, как в случае позитивной записи — светлым местам объекта соответствуют свет­ лые места восстановленного изобра­ жения, а тёмным — тёмные;

c) В тех случаях, когда при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить всё изображение объекта. Однако мень­ ший участок голограммы восстановит меньший участок волн, фронта, несу­ щего информацию об объекте;

d) Полный интервал яркостей, пе­ редаваемый фотографической пластинкой, как правило, не превышает одного-двух порядков, между тем реальные объ­ екты часто имеют гораздо большие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими свойствами, используется для построения наиболее ярких участков изображения весь свет, падающий на всю её поверх­ность, и она способна передать гра­ дации яркости до пяти-шести поряд­ ков;

e) Если при восстановлении волнового фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относи­ тельно голограммы так же, как и при её экспонировании, то восстановлен ное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предме том;

2.7. Источники света в голографии, регистрирующие материалы.

Источники света в голографии дол­жны создавать когерентное излучение достаточно большой яркости. Вре­ менная когерентность определяет макс, разность хода между предмет­ным и опорным пучками, допустимую без уменьшения контраста интерфе­ ренционной структуры. Эта величина определяется шириной спектральной линии излучения: . Пространственная когерентность излучения определяет способность создавать контрастную интерференционную картину световыми вол­ нами, испущенными источником в разных направлениях.

Лазерное излучение обладает вы­ сокой пространственной и временной когерент­ ностью при огромной мощности из­ лучения. Для голограмм стационарных объ­ ектов обычно используются лазеры непрерывного излучения, генерирую­ щие в одной поперечной моде, в част­ ности гелий-неоновый лазер (Å) и аргоновый (Å, Å).

Голограммы предъявляет к регистрирующим материалам ряд требований, из которых важнейшее — достаточно высокая раз­ решающая способность. Максимальная про­ странственная частота структуры реа­ лизуется во встречных пучках (α = 180°). Наиболее подходящий для голограмм фотоматериал — фотопластинки ВРЛ, ЛОИ, ПЭ и фотопленка ФПГВ.

Помимо галогеносеребряных фотома­ териалов, применяют и другие среды, в том числе допускающие многократное по­ вторение цикла запись — стирание, а в некоторых случаях и регистрацию голо­ грамм в реальном времени. К их числу относятся термопластики, халь- когенидные фотохромные стёкла, ди электрические и ПП кристаллы. Голо­ граммы могут также регистрироваться на магнитных плёнках, жидких кристаллах, фотополимерах, фоторезистах, на на­ несённых на подложку слоях метал лов, на хромированной желатине и т. д.

2.8. Применение голографии в медицине.

Записанные на голо­ грамме световые волны при их вос­ становлении создают полную иллюзию существования объекта, неотличимого от оригинала.

Особо интересные и важные перспективы открываются в связи с ультразвуковой голографией. Получив голограмму в ультразвуковых механических волнах, можно восстановить ее видимым светом. Ультразвуковая голография в перспективе может быть использо­вана в медицине для рассматривания внутренних органов человека с диагностической целью, определения пола внутриутробного ребенка и т. д. Учитывая большую информативность этого метода и существенно меньший вред ультразвука по сравнению с рентгеновс­ким излучением, можно ожидать, что в будущем ультразвуковая голографическая интроскопия заменит традиционную рентгено­диагностику.

Еще одно медико-биологическое приложение голографии связа­но с голографическим микроскопом. Его устройство основано на том, что изображение предмета получается увеличенным, если голограмму, записанную с плоской опорной волной, осветить расходящейся сферической волной.

Кроме этого, голограммы можно использовать для создания объёмных копий произведений искусства, голографических портретов, для исследования дви­ жущихся частиц, капель дождя или тумана, треков ядерных частиц в пузырько­ вых камерах и искровых камерах.

Так же голограмма применяется для хранения и об­работки информации.

Сейчас трудно оценить все возможности применения голографии: кино, телевидение, запоминающие устройства и т. д.

Несомнен­но лишь, что этот метод является одним из величайших изобрете­ний нашего времени.

1. Денисюк голографии –М.:Просвещение, 1978.

2. Островский и ее применение. – М.:Просвещение, 1999.

4. Физический энциклопедический словарь.

4. Контрольные вопросы:

1. Какова история развития голографии?

2. Что называют голографией?

3. Что называют голограммой?

4. Нарисуйте схемы получения и восстановления голограммы.

5. Каковы особенности голограммы плоской волны? Голограммы точки?

6. Назовите основные типы голограмм.

7. Перечислите основные свойства голограмм.

8. Каковы особенности источников света и регистрирующих материалов, применяемых в голографии?

9. Где можно применять голограммы в медицине?

Источник

Газета «Новости медицины и фармации» Офтальмология (363) 2011 (тематический номер)

Вернуться к номеру

Перспективы применения голо­графических методов в медицине

Авторы: А.Ю. Попов, А.В. Тюрин, В.Я. Гоцульский, В.Г. Ткаченко, В.Е. Чечко, А.А. Римашевский, Т.А. Фунск, НИИ физики ОНУ имени И.И. Мечникова А.В. Скринник, ГУ «Институт глазных болезней и тканевой терапии имени В.П. Филатова НАМНУ» Н.А. Попова, Г.Н. Джуртубаева, ГУ «Украинский научно-исследовательский противочумный институт им. И.И. Мечникова», г. Одесса

Версия для печати

Введение

В настоящее время лазерные технологии нашли широкое и разнообразное применение в медицине, с их помощью решаются задачи хирургии, терапии и диагностики. Однако существует группа методов, базирующихся на применении лазеров, которые до сих пор не получили достаточного распространения в медицине, — это голографические методы. Пионерские работы в этом направлении известны практически с момента возникновения голографии, однако широкого практического применения они не получили. Связано это с определенными техническими сложностями, присущими классической голографии. В настоящее время в связи с развитием методов динамической голографии, цифровой (телевизионной, компьютерной) голографии и близкого к ней метода фазомодулированной спекл-интерферометрии (Еlectronic Speckle Рattern Interferometry — ESPI) данные сложности во многом преодолены, что дает базу для нового витка развития медицинского применения голографических методов.

Медицинские применения голографии (и родственных методов) можно разбить на три большие группы по базовым методикам:

— цифровая голография и ESPI;

— создание голографических оптических элементов (ГОЭ), которые могут использоваться в медицинском оборудовании для формирования и преобразования оптических пучков.

НИИ физики ОНУ совместно с ГУ «Институт глазных болезней и тканевой терапии имени В.П. Филатова НАМНУ» и ГУ «Украинский научно-исследовательский противочумный институт им. И.И. Мечникова» на протяжении многих лет проводили работы в этих областях в рамках договоров о научно-техническом сотрудничестве. В данной статье дан краткий обзор результатов, полученных как в этих работах, так и в работах других коллективов, приведен анализ их возможного дальнейшего развития, а также создания принципиально новых приложений в области медицинской диагностики и терапии. Особое внимание уделено специфике применения голо­графических методов в офтальмологии.

Следует отметить, что применение голографических методик в хирургии также возможно и перспективно, например использование динамических ГОЭ для управления лучом лазерного скальпеля и формирования его оптимальной структуры, однако данная тематика требует отдельного рассмотрения.

Предупреждение: в данной статье не рассматривается тематика, связанная с предполагаемым голографическим переносом биологической информации (ключевые слова: голографическая терапия, энергоинформационное поле, голографический принцип строения живых организмов и Вселенной и т.д.). Авторы не считают себя достаточно компетентными в данной области.

1. Диагностическое применение голографии

Возможности данного применения голографических методов наиболее обширны и очевидны.

1.1. Изобразительная голография

Классическая голография

Идея диагностического применения изобразительной голографии в офтальмологии базируется на способности голограмм восстанавливать точное объемное изображение предмета. Подробное микроскопическое исследование глаза (например, при помощи фундус-камеры) утомительно для пациента, кроме того, сильно осложняется непроизвольной моторикой глаза. Если получить голограмму глаза, то восстановленное с ее помощью объемное изображение будет точной копией оригинала (благодаря чрезвычайно высокой информационной емкости голограмм), и его можно не только подробно исследовать оптическими методами, но и сохранить в истории болезни.

В ранних работах данного направления, в частности в ГУ «Институт глазных болезней и тканевой терапии имени В.П. Филатова НАМНУ» совместно с НИИ физики ОНУ [1], использовались методы классической голографии (рис. 1).

Интерференционная картина, образовавшаяся в результате наложения объектной и опорной волн, регистрируется с помощью голографического светочувствительного материала (голографической пластины). Получившаяся после соответствующей обработки (проявления и фиксации) голограмма при освещении ее опорной волной восстанавливает в первом порядке дифракции объемное изображение объекта.

Полученные результаты были признаны обнадеживающими, однако это направление не получило практического применения. Причиной этого были следующие технические сложности:

1. Даже самые чувствительные (серебряно-галоидные) голографические регистрирующие материалы имеют крайне низкую светочувствительность, поэтому при регистрации голограммы лазерным излучением видимого диапазона велик риск повредить сетчатку глаза. Ограничение светочувствительности связано с тем, что голографические регистрирующие материалы должны иметь очень высокую разрешающую способность (1000–6000 линий/мм), и в настоящее время невозможно ее существенное увеличение. Возможным решением было бы использовать для регистрации голограмм лазерное излучение ближнего инфракрасного (ИК) диапазона, что подняло бы порог допустимых мощностей приблизительно на два порядка, но, несмотря на некоторые успехи в этой области [2], голографических материалов с достаточной ИК-чувствительностью еще не существует.

2. При регистрации голограммы объект должен быть абсолютно стабилен (с точностью до четверти длины волны), что для глаза возможно только при очень коротких экспозициях и, соответственно, очень высоких мощностях излучения. Применение же импульсного лазера дополнительно увеличивает риск повреждения сетчатки (при регистрации портретных голограмм обычной практикой является использование защитных контактных линз), поэтому в наших экспериментальных работах были использованы только изолированные глаза [1].

Цифровая голография

В настоящее время возможно дальнейшее развитие данного направления при помощи методов цифровой голо­графии. В данном случае распределение интенсивностей в интерференционной картине регистрируется при помощи ПЗС-матриц (телекамер), светочувствительность которых как в видимом, так и в ближнем ИК-диапазоне позволяет полностью решить проблему безопасности. 3D-изображение объекта рассчитывается компьютером и выводится на дисплей [3]. Такое изображение не является в полной мере объемным, зато легко интегрируется в современные информационные системы. Более того, в настоящее время активно разрабатываются компьютерно управляемые оптические 2D-фазовые модуляторы, применяемые для коррекции фазовой структуры волновых фронтов. Они при достижении достаточной разрешающей способности будут способны генерировать полноценное динамическое голографическое изображение. Эта технология также перспективна для наглядного 3D-представления данных различных видов томографии (рентгеновской, электронного парамагнитного резонанса, МРТ, оптической когерентной томографии — ОКТ).

Единственная причина, по которой данные технологии все еще являются экспериментальными или позволяют работать только с очень маленькими объектами, заключается в недостаточной разрешающей способности как современных телекамер, так и модуляторов. Для создания полноценных голографических систем разрешающую способность предстоит поднять как минимум на два порядка.

Тем не менее уже достигнутые технические параметры телекамер, фазомодуляционных систем и компьютеров позволили создать серийные образцы цифровых голографических микроскопов (например, безлинзовый микроскоп Numerical Vision LDHM-4).

Для создания офтальмологических цифровых голографических систем дополнительной сложностью является быстродействие телекамер, которое должно составлять не менее 10 000 кадров в секунду. В настоящее время такие камеры существуют, но их разрешение невелико (

1 мегапиксел), с увеличением разрешения данный параметр может стать проблемой. Впрочем, современная динамика развития специальных видеосредств вполне оптимистична.

1.2. Голографическая и спекл-­интерферометрия

Классическая голографическая интерферометрия

Уникальной особенностью голо­грамм является то, что они способны восстанавливать не только объемное изображение предмета (объектную волну), но и точное распределение фаз в нем. На этом свойстве базируются методы голографической интерферометрии и микроскопии, являющиеся основой многих методов неразрушающего контроля и прецизионных измерений [4]. С их помощью можно измерить и оцифровать 3D-форму объектов (рис. 2), их деформацию, обнаружить вариации показателя преломления в прозрачных объектах и многое другое.

Данные методы могут быть полезны в офтальмологии. В работе [1] была продемонстрирована возможность применения методов голографической двухэкспозиционной интерферометрии для диагностики различных патологий глаза. Например, на рис. 2В показана интерферограмма фрагмента линейного дефекта (впадины поверхности) роговицы глаза кролика, представленного на рис. 1, и рассчитанный по ней профиль впадины.

До практического применения данные разработки доведены не были, причины чего уже описаны в пункте 1.1. Однако в настоящее время, с развитием цифровой голографии и ESPI-метода и осознанием их возможностей, данные работы можно и необходимо продолжить.

Спекл-интерферометрия.

ESPI-метод

Данный метод близок к методу цифровой голографии, однако значительно проще в реализации. Принципиальные оптические схемы установок представлены на рис. 3. Фактически они являются спекл-интерферометрами, подобными интерферометру Майкельсона для измерений в отраженном свете (рис. 3А) и Маха — Цандера в проходящем (рис. 3В).

Сущностью ESPI-метода является то, что в нем используются оптические пучки, имеющие специальную спекл-структуру. Она всегда формируется при когерентном (лазерном) освещении случайно рассеивающих или преломляющих объектов. В этом случае в рассеянном световом поле образуются спеклы (пятна), особенность которых заключается в том, что в пределах одного спекла амплитуда излучения меняется, но фаза остается постоянной. Поэтому в суммарном поле, образованном наложением объектного и опорного спекл-полей, интерференционная структура не формируется, но интенсивность отдельных спеклов меняется в зависимости от сдвига фазы опорного пучка (рис. 4).

Корреляционный анализ набора спеклограмм с различным фазовым сдвигом опорного пучка позволяет восстановить фазовую структуру объектной волны (создать фазовый портрет), т.е. решить задачу цифровой голографии, но с существенным упрощением. Можно сказать, что спекл усредняет оптическую информацию по площади, которую покрывает. Следовательно, при интерферометрическом исследовании спекл-полей в качестве регистрирующего устройства можно применять не голограмму, а телекамеру, пространственное разрешение которой должно соответствовать размерам исследуемых спеклов. Требуемое для ESPI разрешение существенно (на 2–3 порядка) ниже необходимого для цифровой голографии, а получаемые результаты сравнимы [5].

ESPI-метод позволяет реализовать все возможности голографической интерферометрии, в том числе двухэкспозиционной [6]. В последнем случае проводится дополнительная совместная корреляционная обработка двух фазовых портретов одного объекта, полученных до и после его изменения, например деформации. Полученные таким образом картины корреляции фаз соответствуют классическим интерференционным картинам (рис. 5), с тем существенным преимуществом, что в отличие от интерферограмм направление увеличения или уменьшения фазы в них определяется однозначно.

Как видно на рис. 5, естественным недостатком ESPI-метода является неизбежная зернистость изображения, но это может быть преодолено как программными средствами (использованием методов интерполяции и экстраполяции), так и путем записи набора спеклограмм с пространственным сдвигом спекл-поля и последующим синтезом непрерывного изображения.

Медицинское применение ESPI- метода

Применение в офтальмологии

Для практических целей (лазерная хирургия глаза, изменение формы хрусталика глаза) очень важны методы определения формы роговицы глаза. Эта задача была решена ESPI-методом с дополнительной модуляцией длины волны лазерного излучения [7]. Данная модификация ESPI-метода заключается в том, что сравниваются два фазовых портрета поверхности тестируемого объекта, полученные при разных длинах волн лазерного излучения l1 и l2. В этом случае на картине корреляции фаз появляются эквифазные полосы, расстояние между которыми по глубине d равно d = l1l2 / 2Dl. Чувствительность метода регулируется изменением величины Dl и может составлять от микрон до сантиметров. Полученные результаты представлены на рис. 6.

Для той же цели может быть использован также иммерсионный метод [8]. В данной модификации второй фазовый портрет снимается после изменения показателя преломления среды, в которую помещается исследуемый объект, т.е. применения или смены иммерсионной жидкости. В этом случае перепад высоты между линиями d = l / 2Dn, где Dn — изменение показателя преломления иммерсионной жидкости. На рис. 7 показан профиль углубления (

0,1 мм), оставленного на прозрачном пластике шариком шариковой ручки, d составляет в данном случае 0,02 мм.

Не менее важно определение эласто-упругих свойств внешних оболочек глаза. В работе [9] было предложено использовать для этой цели ESPI-метод, но, на наш взгляд, в неудачной модификации. Предлагалось покрывать поверхность роговицы рассеивающим порошком, а в качестве тестирующего воздействия использовать изменение внутриглазного давления при помощи инъекции физиологического раствора NaCl (рис. 8А). Все это травматично для глаза.

Разработанный в НИИ физики ОНУ метод аналогичного назначения [10] лишен этих недостатков (рис. 8 В). В качестве тестирующего воздействия предложено использовать нетравматические для глаза факторы: изменение внешнего давления, механическое давление, воздушную струю, ультразвук, электрическое поле. На рис. 9 показаны картины корреляции фаз, полученные при последовательном увеличении внешнего давления. Видно, что деформация роговицы резко асимметрична.

Оптическая когерентная томография

Данный метод базируется на использовании низкокогерентных источников (полупроводниковых лазеров и суперлюминесцентных диодов), широко распространен в офтальмологии и позволяет решать важные задачи, например диагностировать отслоения сетчатки. Современные приборы позволяют как получать линейные сканы, так и работать в режиме картографирования (рис. 10). Но их работа связана со сканированием как в плоскости изображения, так и по глубине, что замедляет операцию исследования. Применение в данных приборах методов цифровой голографии и ESPI, не требующих сканирования, позволит существенно увеличить быстродействие приборов ОКТ.

1.3. Голографическая микроскопия

Классическая голография

Существуют микроскопные установки, составной частью конструкции которых является ГОЭ, созданные по принципам классической голографии [12]. Задачей ГОЭ в них является создание фантомного объекта сравнения. Данные установки позволяют проводить исследования трехмерной морфологии и фазовой структуры микроскопических объектов. Недостатком данного направления является сложность реализации и то, что обслуживание данной установки может осуществлять только высококвалифицированный персонал.

Цифровая микроскопия

Данное направление наиболее разработано, существуют промышленно выпускаемые микроскопы и профилометры, использующие этот принцип. Практически единственный, но очень существенный их недостаток — высокая стоимость.

Спекл-микроскопия

Как уже сказано выше, возможности ESPI-метода практически те же, что и для классической и цифровой голографий, а местами и превышают их. В то же время он значительно проще (а соответственно, дешевле) в практической реализации.

Ниже приведены данные, полученные при помощи спекл-микроскопа, разработанного и созданного в НИИ физики ОНУ [12]. Методы, положенные в основу его работы, частично запатентованы [5, 7, 8]. В настоящее время в НИИ физики ОНУ ведутся работы по созданию ESPI-приставок к обычным оптическим микроскопам. Предполагается, что это позволит достичь практически таких же характеристик, как у специализированных устройств.

На рис. 11 представлены результаты исследования 3D-формы тестового объекта — капли масла на поверхности предметного стекла.

На рис. 12 представлены результаты по измерению 3D-формы эритроцита человека. Важность этого исследования состоит в том, что степень вогнутости эритроцита коррелирует с его насыщением кислородом [13].

Чрезвычайно полезно применение ESPI-микроскопа для определения состояния клеток, причем даже в живом состоянии, без какой-либо дополнительной обработки (окраски, фиксации). Важнейшей особенностью данных (фазочувствительных) методов является их чрезвычайно высокая чувствительность к изменению коэффициента преломления в исследуемых объектах. Это позволяет определять наличие цитоплазматических выбросов, тяжей, нарушений структуры мембраны и т.д. (рис. 13).

2. Терапевтическое применение голографии

Перспективы данного применения голографических методов, которое связано с непосредственным воздействием на биологические объекты, гораздо менее очевидны.

Повторим предупреждение, сделанное во вступлении, — в данной статье не рассматривается направление, связанное с гипотетическим голографическим переносом биологической информации. По мнению авторов, в этом направлении в настоящее время очень много мистики и философии, но практически нет науки.

В данной статье будет рассмотрено только одно направление, связанное с голографическими методами формирования световых пучков со структурой, оптимальной для терапевтического применения низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ).

2.1. Перспективы голографии в НИЛИ-терапии

Авторы считают очень перспективным применение ГОЭ для формирования высокоградиентной пространственной структуры лазерных пучков, оптимальной для использования в НИЛИ-терапии. Тезис о важности пространственной структуры лазерных пучков не является бесспорным и общеизвестным (обычно распределение мощности стараются сделать просто равномерным), поэтому нуждается в пояснении.

В настоящее время существует и успешно применяется множество методик НИЛИ-терапии. Однако, несмотря на достигнутые практические успехи, ряд важнейших вопросов до сих пор остается нерешенным. Как это ни странно, но до сих пор не решен фундаментальный вопрос — о фотофизической (физико-химической) природе НИЛИ-воздействия на биологические объекты.

Существует несколько широкоизвестных гипотез, в которых на роль специфического фактора лазерного излучения, оказывающего биологическое действие, предлагаются моно­хроматичность, поляризация, высокая спектральная плотность мощности, резонансная пульсация лазерного излучения и даже его высокая информационная емкость. Ни одна из данных гипотез не является общепринятой, они не способны объяснить весь круг наблюдаемых явлений и, что наиболее важно, не могут предложить четких критериев выбора оптимальных для терапии параметров лазерного излучения.

В НИИ физики ОНУ совместно с ГУ «Украинский научно-исследовательский противочумный институт им. И.И. Мечникова» сформулирована новая гипотеза [14], согласно которой биологическое действие НИЛИ обусловлено высокоградиентной (высококонт­- растной) структурой лазерного излучения, т.е. такой, в которой пространственные перепады мощности излучения очень часты, велики и резки. Исходно лазерный пучок такой структуры не имеет (волновой фронт гладкий), но при прохождении сквозь рассеивающие его биологические ткани в нем неизбежно формируется спекл-структура (см. пункт 1.2). В спекл-полях градиент плотности мощности как минимум на три порядка больший, чем для некогерентного излучения, что вызывает возникновение локальных электрических полей (эффект Дембера), влияние которых обусловливает биологическое действие НИЛИ.

Таким образом, в данной гипотезе биологическое действие НИЛИ рассматривается как локальный, на клеточном уровне, электрофорез, стимулирующий проникновение биологически активных веществ сквозь мембраны клеток и клеточных органелл. Данная гипотеза не исключает другие, а объединяет их, снимая ряд ранее необъяснимых противоречий.

Важнейшие выводы данной гипотезы:

1. Однородное НИЛИ не должно оказывать специфического биологического действия.

2. Наибольшее биологическое действие НИЛИ оказывает тогда, когда расстояние в нем между темными и светлыми участками сравнимо с размером клеток.

3. Биологически активная структура НИЛИ формируется только после прохождения

2 мм непрозрачных (рассеивающих) биологических тканей.

Данные выводы получили экспериментальное подтверждение при исследованиях НИЛИ-воздействия на культуры микроорганизмов in vitro. На рис. 14 показаны результаты воздействия НИЛИ, имеющего интерференционную структуру с различным пространственным периодом, на культуру Staphylococcus aureus, находящуюся в чашке Петри в виде монослоя и обработанную слабым раствором гентомицина [14].

Видно, что пик воздействия достигался при пространственных частотах

1000 линий на миллиметр, что соответствует размерам данных микроорганизмов. В этом случае в результате НИЛИ-облучения количество колоний на облученной половине чашки Петри уменьшалось по сравнению с необлученной в 6 и более раз. Полученный эффект НИЛИ-воздействия при оптимальной структуре светового поля значительно превышает наблюдавшиеся ранее [15–18].

Аналогичные данные были получены при испытаниях разработанной нами лазерной приставки к аппарату электромагнитной терапии «Алмаз».

Из приведенной выше гипотезы и экспериментальных данных неизбежно следует вывод: для вовлечения в терапевтический процесс поверхностных слоев тканей высокоградиентную структуру лазерного излучения (спекловую, интерференционную или даже сингулярную) необходимо сформировать искусственно при помощи насадок на излучатели.

Данный вывод особенно важен в офтальмологии, поскольку в прозрачных тканях глаза спекл-структура не формируется. Конечно, некоторая пространственно-периодическая структура света при облучении глаза все-таки формируется в результате интерференции волн, переотраженных от внутренних деталей глаза, но она неконтролируема, конт­раст в ней мал в силу большой разницы в интенсивностях интерферирующих волн, а соответственно, эффект НИЛИ-воздействия не оптимален.

На рис. 15 представлены возможные конструкции насадок на излучатели, которые могут сформировать требуемую высокоградиентную структуру света.

Естественно, самым простым из них является вариант С, который может представлять собой просто матированное стекло с необходимым размером неоднородностей. На этом фоне варианты А и В кажутся ненужными усложнениями. Однако, возможно, именно они окажутся оптимальными, поскольку только они способны генерировать так называемые сингулярные пучки с заданной структурой. Важность этого свойства рассмотрена ниже.

Как уже было сказано, пространственная структура лазерного излучения внутри биологических тканей слабо зависит от структуры падающего луча, а в основном определяется структурой самих тканей. Определить микроскопические оптические характеристики такой навязанной структуры непосредственно в тканях достаточно сложно, и мнения различных авторов по этому вопросу расходятся [15, 18], кроме того, в разных тканях она может существенно различаться. Неочевидно, что эта структура оптимальна для НИЛИ-воздействия. Если бы удалось искусственно сформировать структуру не только оптимальную, но и устойчивую, сохраняющуюся в тканях на значительном протяжении, то это существенно усилило бы эффект НИЛИ-воздействия. Интересные возможности в этом направлении открываются при использовании сингулярных пучков, которые уже применяются в биологии в качестве оптических пинцетов, поскольку они не только позволяют захватывать и перемещать микрочастицы, но и вращать их.

Голографические генераторы сингулярных пучков для НИЛИ

Сингулярная оптика, или оптика вихревых пучков, — новое и весьма активно развивающееся направление, в частности, в НИИ физики ОНУ [19, 20]. Простейшим видом фазовой сингулярности является винтовая дислокация. При обходе такой сингулярной точки фаза пучка плавно меняется на величину, кратную n·2p, n = ± 1, 2…

Для характеристики таких пучков было введено понятие топологического заряда n, которому приписывается знак зависимости от направления закручивания. Непосредственно в сингулярной точке фаза не определена, поэтому амплитуда светового поля в ней строго равна 0 (рис. 16).

Таким образом, сингулярный пучок с топологическим зарядом 1 представляет собой световую трубку. Важнейшее свойство таких пучков — их уникальная устойчивость (что совершенно невозможно с точки зрения классической оптики). Такие пучки при распространении в однородной среде сохраняют свою структуру сколь угодно долго. Даже если у пучка вырезать его часть, он достроит себя до полноценного вихря. В сингулярных пучках выполняется закон сохранения топологического заряда — сумма всех вихрей в пучке (с учетом их знака) должна оставаться неизменной. Мы полагаем, что это свойство сингулярных пучков позволит создать устойчивую при распространении в тканях высокоградиентную структуру.

Для генерации сингулярных пучков используют синтезированные голо­граммы, которые имеют в своей структуре характерную вилочку (рис. 17). Исходный пучок не имеет особенностей, в первом порядке дифракции пучки имеют топологический заряд ± 1, во втором ± 2 и т.д.

В НИИ физики ОНУ предложено синтезировать ГОЭ с мультивихревой структурой (рис. 17). В мультивихревом пучке, сформированном с его помощью, все вихри будут иметь один знак, следовательно, они не будут аннигилировать, а структура мультивихревого пучка должна иметь очень большую устойчивость даже при распространении в мутных средах. Данные положения нуждаются в экспериментальной проверке, но, возможно, именно такие мультивихревые ГОЭ окажутся наиболее эффективными генераторами пучков для НИЛИ-терапии.

Единственный недостаток синтезированных голограмм — это то, что они являются тонкими и амплитудными, поэтому дифракционная эффективность их крайне невелика (около 3 %). Однако в НИИ физики ОНУ разработана методика их перезаписи на объемные голографические регистрирующие среды. Получаемые таким образом голо­граммы устойчивые, преимущественно фазовые, их эффективность достигает 80 %, т.е. они вполне пригодны для практического применения [21, 22].

Заключение

В данной статье рассмотрены основные результаты применения методов классической и цифровой голографии и близкого к ним метода ESPI для решения медицинских задач. Часть результатов была получена авторами, а разработанные методы запатентованы. В некоторых приложениях голографические методы являются базовыми, в других они выполняют только техническую роль, но в любом случае они несомненно полезны. Это позволяет прогнозировать дальнейшее активное развитие как самих методов, так и их медицинских приложений, в частности в области офтальмологии.

Некоторые из сделанных в статье утверждений не являются бесспорными. Авторы надеются, что аргументы, приведенные в их поддержку, заинтересуют специалистов — как медиков, так и физиков — и смогут стать основой для полезной дискуссии.

1. Logai I.M., Krasnovid T.A., Aslanova V.S., Popov A.Yu., Tyurin A.V., Belous V.M., Shugailo Yu.B. Application of coherent optics methods (interferometry) for human eye tissues pathology diagnostics / Materials of XII congress of European society of ophthalmology, Stockholm, 1999.

2. Tyurin A.V., Popov A.Yu., Zhukov S.A., Bercov Yu.N. Mechanism of Spectral Sensitization of Emulsion Containing eterophase «Core-Shell» Microsistems // Fotoelectronika. — 2009. — № 18. — Р. 128-132.

3. Константинов В.Б., Бабенко В.А., Малый А.Ф. Голографический интерференционный микроскоп для лабораторных исследований // ЖТФ. — 2007. — Т. 77, № 12. — С. 92-95.

4. Ганин Ю.Г., Жеру И.И., Мандель В.Е., Неклюдов В.А., Попов А.Ю., Ротару В.К., Тюрин А.В. Голографическая интерферометрия поверхности композиционных диэлектриков при нагреве // Известия Российской АН. Серия физическая. — 1992. — Т. 56, № 4. — С. 206-209.

5. Сминтина В.А., Тюрин О.В., Попов А.Ю., Жуковський В.К. Спосіб фазомодульованої спекл-інтерферометрії для вимірювання зміни фази об’єктної хвилі: Патент № 80706, 2007 р.

6. Попов А.Ю., Тюрин А.В., Санталов А.С., Квітка Л.А. Перспективы спекл-интерферометрии для криминалистических исследований // Сучасна спеціальна техніка. — 2010. — № 3(22). — С. 99-109.

7. Сминтина В.А., Тюрин О.В., Попов А.Ю. Спосіб отримання топограм поверхонь об’єктів: Патент № 46059, 2009 р.

8. Сминтина В.А., Тюрин О.В., Попов А.Ю., Квітка Л.А., Лоторєв В.О., Санталов О.С. Імерсійний спосіб отримання топограм поверхонь дифузнорозсіючих об’єктів: Патент № 54672, 2010 р.

9. Jaycock P.D., Lobo L., Ibrahim J., Tyrer J., Marshall J. Interferometric technique to measure biomechanical changes in the cornea induced by refractive surgery // Journal of cataract & refractive surgery. — 2005. — V. 31, № 1. — Р. 175-184.

10. Сминтина В.А., Тюрин О.В., Попов А.Ю., Щипун С.К. Спосіб визначення еластопружних властивостей ока: Патент № 14206, 2006 р.

11. Тишко Т.В., Титарь В.П., Тишко Д.Н. Применение цифрового голо­графического интерференционного микроскопа для исследования трехмерной морфологии красных клеток крови человека // Вестник Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника. — 2006. — Вып. 10, № 712. — C. 52-56.

12. Попов А.Ю, Тюрин О.В., Ткаченко В.Г., Чечко В.Є., Попова Н.А., Джуртубаева Г.Н. Фазово-чутливий спекл-інтерферометричний мікроскоп для аналізу варіацій коефіцієнту заломлення у біологічних об’єктах / V International Conference on Optoelectronic Information Technologies PHOTONICS-ODS 2010, abstracts. — Р. 129 (231).

13. Бархоткина Т.М, Кудь А.А, Титарь В.П., Тишко Т.В. Деформабельность эритроцитов периферической крови как интегральный показатель эффективности озонотерапии // Общая реаниматология. — Т. 2, № 4/1. — С. 294-297.

14. Попов А.Ю., Попова Н.А., Тюрин А.В. Физическая модель воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на биологические объекты // Опт. и спектроскоп. — 2007. — Т. 103, № 3. — С. 502-508.

15. Тучин В.В // Известия РАН. Серия физическая. — 1995. — Т. 59, № 6. — С. 120.

16. Kujawa J., Zavodnik L., Zavodnik I., Buko V., Lapshyna Am., Bryszewska M. // J. Clin. Laser Med. Surg. — 2004. — Vol. 22, № 2. — P. 111.

17. Karu T.I. // IEEE J. Quant. Elect. — 1987. — V. QE-23. — Р. 1703-1717.

18. Malov A.N., Malov S.N., Feshchenko V.S. // Laser Physics. — 1996. — Vol. 6, № 5. — P. 979.

19. Bekshaev A.Ya., Popov A.Yu. Method of light beam orbital angular momentum evaluation by means of space-angle intensity moments // Ukr. Phys. Opt. — 2002. — № 4. — Р. 249-257.

20. Bekshaev А., Popov А. Non-collinear rotational Doppler effect for vortex light beams // Proceedings of SPIE. — 2003. — Vol. 5477.

21. Попов А.Ю., Манченко Л.И., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б. Регистрация и воспроизведение световых пучков с топологическими дефектами / Фото­- электроника. — Вып. 9. — Одесса: Астропринт, 2000. — С. 126-129.

22. Владимиров Д.А., Мандель В.Е., Попов А.Ю., Тюрин А.В. Оптимизация записи голограмм на аддитивно окрашенных кристаллах KCl // Оптика и спектроскопия. — 2005. — Т. 99, № 1. — С. 155-158.

Источник