История и перспективы развития голографических методов в медицине
Министерство
образования и науки РФ
Рязанский
Государственный Радиотехнический Университет
Кафедра
ИИБМТ
Реферат на
тему:
«История и
перспективы развития голографических методов в медицине»
Рязань 2014
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 (ЕlectronicSpeckleРatternInterferometry - 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:
классическая голография;
цифровая голография и ESPI;
создание голографических оптических элементов
(ГОЭ), которые могут использоваться в медицинском оборудовании для формирования
и преобразования оптических пучков.
Голографические методы нашли широкое применение
в офтальмологии. Также возможно и перспективно применение голографических
методик в хирургии, например использование динамических ГОЭ для управления
лучом лазерного скальпеля и формирования его оптимальной структуры. В данной
работе будут рассмотрены существующие методы голографии в медицине.
1. История развития голографии
Основоположником голографии является профессор
государственного колледжа в Лондоне ДеннисГабор, получивший в 1947 г. первую
голограмму. Открытие голографии было им сделано в ходе экспериментов по
увеличению разрешающей способности электронного микроскопа. Названием
"голография" Д. Габор подчеркнул, что метод позволяет
зарегистрировать полную информацию об исследуемом объекте.
Голография начала бурно развиваться и приобрела
большое практическое значение после того, как в результате фундаментальных
исследований по квантовой электронике, выполненных советскими физиками -
академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым - и американским ученым Чарльзом
Таунсом, в 1960 г. был создан первый лазер. В том же году профессором Т.
Маймамом был сконструирован импульсный лазер на рубине. Эта система (в отличие
от непрерывного лазера) дает мощные и короткие, длительностью в несколько
наносекунд (10-9 сек), лазерные импульсы, позволяющие фиксировать на голограмме
подвижные объекты. Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера
в 1967 году.
Начало изобразительной голографии
было положено работами Эмметта Лейтаи Юриса Упатниексаиз Мичиганского
Технологического Института (США), получившими в 1962 г. первую объемную
пропускающую голограмму <#"817434.files/image001.jpg">
Рисунок 1 - Принципиальные схемы регистрации
голограмм глаза (А) и восстановление голографического изображения (В). Справа -
голограмма глаза кролика, отчетливо виден линейный поверхностный дефект
роговицы: 1 - импульсный лазер; 2 - коллимирующая система; 3 - полупрозрачный
делитель; 4 - голографическая пластина; 5 - глаз; 6 - голограмма; 7 -
восстановленное изображение глаза; 8 - входной объектив диагностической системы
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:
. 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 [4], голографических материалов с достаточной ИК-чувствительностью
еще не существует.
.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 [5].
Цифровая голография
В настоящее время возможно дальнейшее развитие
изобразительной голографии при помощи методов цифровой голографии. В данном
случае распределение интенсивностей в интерференционной картине регистрируется
при помощи ПЗС-матриц (телекамер), светочувствительность которых позволяет
полностью решить проблему безопасности. 3D-изображение объекта рассчитывается
компьютером и выводится на дисплей [6]. 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 NumericalVision LDHM-4).
Существенное повышение качества объемных
изображений было достигнуто также с использованием однопроходной
голографической регистрации, в качестве базового метода которой использовался
метод флуоресцентной ангиографии, состоящий в возбуждении люминесценции
красителя (раствор флюоресцеина-натрия), введенного в кровь, и фоторегистрации
изображения глазного дна[7]. В результате были получены голографические
изображения сосудов диаметром до 10 мкм и с контрастом 25:1. По-видимому,
предложенный метод является одним из наиболее перспективных. Для создания
офтальмологических цифровых голографических систем дополнительной сложностью
является быстродействие телекамер, которое должно составлять не менее 10000
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.
2.2 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 [8]. С
их помощью можно измерить и оцифровать 3D-форму объектов (рисунок 2), их
деформацию, обнаружить вариации показателя преломления в прозрачных объектах и
многое другое.
Рисунок 2 - А: двухэкспозиционная
голографическая интерферограмма ритуальной маски, представляющая фактически её
топограмму; В: аналогичная интерферограмма роговицы глаза кролика и
рассчитанный по ней профиль поверхности роговицы
Данные методы могут быть полезны в
офтальмологии. В работе [5] была продемонстрирована возможность применения
методов голографической двухэкспозиционной интерферометрии для диагностики
различных патологий глаза. Например, на рисунке 2В показана интерферограмма
фрагмента линейного дефекта (впадины поверхности) роговицы глаза кролика,
представленного на рисунке 1, и рассчитанный по ней профиль впадины.
До практического применения данные разработки
доведены не были, по выше изложенным причинам. Однако в настоящее время, с
развитием цифровой голографии и ESPI-метода и осознанием их возможностей,
данные работы можно и необходимо продолжить.
Спекл-интерферометрияметод
Данный метод близок к методу цифровой
голографии, однако значительно проще в реализации. Принципиальные оптические
схемы установок представлены на рисунке 3. Фактически они являются
спекл-интерферометрами, подобными интерферометру Майкельсона для измерений в
отраженном свете (рисунок 3А) и Маха - Цандера в проходящем (рисунок 3В).
Рисунок 3 - Принципиальные схемы ESPI-установок
для изучения непрозрачных (А) и прозрачных (В) объектов; С - увеличенный
фрагмент спеклограммы: 1 - лазер; 2,3 - линзы; 4 - диффузный рассеиватель; 5 -
делитель; 6 - зеркало; 7 - устройство сдвига фазы опорного пучка
(пьезокерамика), управляемое компьютером; 8 - диафрагма; 9 -телекамера; 10 -
образец
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 (рисунок 4).
Рисунок 4 - Набор из 3 спеклограмм со сдвигом
фазы опорного пучка 0, 
и 
соответственно
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 [9].метод позволяет
реализовать все возможности голографической интерферометрии, в том числе
двухэкспозиционной [10]. 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 (рисунок 5), с тем существенным преимуществом, что в отличие от
интерферограмм направление увеличения или уменьшения фазы в них определяется
однозначно.
Как видно на рисунке 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.
Рисунок 5 - А: классическая двухэкспозиционная
голографическая интерферограмма, отражающая колебание керамической шайбы; В:
аналогичная ей картина корреляции фаз, отражающая колебания листа титана при
нагреве, полученная ESPI-методом, и рассчитанный по ней профиль деформации
листа
Фазы кодируются цветами (синий - 0, желтый - ,
зеленый - , красный - 
).
Применение в офтальмологии ESPI-метода
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 [11]. Данная модификация ESPI-метода заключается в
том, что сравниваются два фазовых портрета поверхности тестируемого объекта,
полученные при разных длинах волн лазерного излучения 
.
В этом случае на картине корреляции фаз появляются эквифазные полосы,
расстояние между которыми по глубинеравно
Чувствительность метода регулируется изменением
величины 
и
может составлять от микрон до сантиметров.Результаты данных работ представлены
на рисунке 6.
Рисунок 6 - Установка для определения формы
поверхности роговицы изолированного глаза кролика, картина корреляции фаз (расстояние
между эквифазными полосами 0,1 мм) и её расшифровка
Для той же цели может быть использован также
иммерсионный метод [12]. 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
где 
-
изменение показателя преломления иммерсионной жидкости. На рисунке 7 показан
профиль углубления (~ 0,1 мм), оставленного на прозрачном пластике шариком
шариковой ручки, 
составляет в
данном случае 0,02 мм.
Рисунок 7 - В данном случае распределение фаз в
картине корреляции фаз показано изменениями интенсивности красного цвета
(черный - 0, ярко-красный - 
)
Не менее важно определение эласто-упругих
свойств внешних оболочек глаза. В работе [13] 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 (рисунок 8А). Все это травматично для глаза.
Рисунок 8 - Метод исследования эласто-упругих
характеристик глаза: А: метод исследования характеристик тканей глаза; В:
принципиальная схема установки аналогичного назначения: 1 - лазер; 2 -
расширитель-коллиматор; 3 - диффузный рассеиватель; 4 - полупрозрачное зеркало;
5 - зеркало, перемещаемое пьезокерамикой; 6 - фазовый модулятор опорной волны;
7 - диафрагма; 8 - ТВ-камера с компьютерным входом; 9,10 - глаз; 11 -
нетравматичное тестирующее внешнее воздействие (например, изменение внешнего
давления воздуха)
Метод аналогичного назначения [14] лишен этих
недостатков (рисунок 8 В). В качестве тестирующего воздействия предложено
использовать нетравматические для глаза факторы: изменение внешнего давления,
механическое давление, воздушную струю, ультразвук, электрическое поле. На
рисунке 9 показаны картины корреляции фаз, полученные при последовательном
увеличении внешнего давления. Видно, что деформация роговицы резко
асимметрична.
Рисунок 9 - Изолированный глаз кролика. Слева
направо - картины корреляции фаз, полученный при последовательном увеличении
внешнего давления воздуха
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 (рисунок
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.
Рисунок 10 - А и В: результаты работы прибора
StratusOКT (CarlZeissMeditecв режиме линейного сканирования и
картографирования; С: топограмма тестового объекта (полусферическая выпуклость
на плоскости), полученная при помощи комбинации методов ОКТ и ESPIбез
сканирования
голография оптический томография
эритроцит
2.3 Голографическая микроскопия
Классическая голография
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. [15]. Методы, положенные в основу его работы, частично
запатентованы. 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 рисунке 11 представлены результаты
исследования 3D-формы тестового объекта - капли масла на поверхности
предметного стекла.
Рисунок 11 - Микрофотография тестового объекта
(капли масла на предметном стекле), её полный фазовый портрет, в котором
распределение фаз представлено 255 изменениями красного цвета (черный - 0,
ярко-красный - ), фазовый портрет,
удобный для пользователя, в котором фазы разбиты на квадранты (синий - 0,
желтый - ,
зеленый - , красный - )
и рассчитанная 3D-форма объекта
На рисунке 12 представлены результаты по
измерению 3D-формы эритроцита человека [16]. Важность этого исследования
состоит в том, что степень вогнутости эритроцита коррелирует с его насыщением
кислородом
Рисунок 12 - Микрофотография нормального
эритроцита человека, его фазовый портрет и восстановленный по нему профиль
изменения толщины
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. (рисунок 13).
Рисунок 13 - Микрофотография и фазовый портрет
разрушенного моноцита. На фазовом портрете отчетливо видно, что внутренняя
структура клетки и ее мембрана разрушена, слева вверху - цитоплазматический
выброс
Портативные голографические микроскопы
Методы современной электронной микроскопии
позволяют реконструировать трехмерные изображения фазовых микрообъектов, но
только специальным образом подготовленные (фиксация, металлизация и т.д.).
Для решения указанной задачи с использованием
голографической техники встает вопрос о мобильности измерительной или
диагностирующей аппаратуры. В большинстве случаев голографические установки
представляют собой громоздкие виброзащищенные комплексы для проведения стационарных
исследований.
Во ВНИИ оптико-физических измерений (ОФИ)
проводились медико-биологические исследования живых нефиксированых эритроцитов.
Целью исследований являлась разработка аппаратуры и методов лабораторной
диагностики на основе лазерной техники и компьютерного анализа. Было показано,
что метод количественной диагностики эритроцитов на основе голографической
интерферометрии позволяет исследовать живые клетки крови без обработки
одновременно по многим параметрам. Сравнительный анализ нового метода с
традиционной световой и электронной микроскопией указал на дополнительные
возможности микроинтерферометрии: количественная оценка поперечного сечения
клетки, площади поверхности и объема эритроцита, сухого веса и концентрации
гемоглобина.[28]
Интерференционный микроскоп в виде единого
каркаса, на котором жестко закреплены все компоненты представлен на рисунке 14.
Для регистрации голограмм использовались фотопластинки ПФГ-03. Источник
излучения - гелий-неоновый лазер HRP050 с линейной поляризацией и выходной
мощностью 5 мВт. Диаметр лазера 44.5 мм, длина 425 мм. В состав интерферометра
входит биологический микроскоп. Голографический интерференционный комплекс
состоит из оптического блока, источника излучения с блоком питания,
регистратора голограмм, системы считывания и обработки информации. Оптический
блок включает голографический интерферометр, систему микроскопа и электронную
камеру. Оптический блок может работать в режиме голографической микроскопии и
режиме телевизионной электронной спекл-интерферометрии.
Рисунок 14 -Конструкции голографического
интерференционного микроскопа
Голографирование изучаемой области проводится
через объектив микроскопа, имеющий большую глубину резкости, чем весь микроскоп
в целом, с помощью импульсного источника излучения либо с помощью скоростной
кинокамеры при непрерывном излучении. Полученное объемное изображение
рассматривается через окуляр микроскопа, который можно фокусировать на
различные плоскости полученной объемной картины. Также создана специальная
программа для быстрой обработки регистрируемых спекл-картин, (язык C++, среда
VisialStudio 2005, библиотека MFC), которая позволяет сохранять результаты
обработки и спектр интенсивности; разработан гибкий интерфейс. Входные данные
могут быть представлены в любом графическом формате, поддерживаемом Windows. На
рисунке15 представлено рабочее окно программы с результатом обработки двух
спекл-картин. В невозмущенном состоянии получена первая картина, вторая была
зарегистрирована при введении газового потока перед рассеивателем, след от
которого виден на рисунке.
Рисунок 15 - Результат обработки двух
спекл-картин
Компьютерная обработка результатов и построение
изображений эритроцитов проводится с помощью программного пакета ORIGIN 4.0 при
использовании режима усреднения матрицы.
Японские инженеры создали
портативный голографический микроскоп, способный записывать трехмерные
изображения с разрешением около 17 микрон. Устройство собрано из рекордно
дешевых компонентов - их стоимость не превышает 250 долларов. Препринт работы
выложен <#"817434.files/image026.jpg">\
Рисунок 16 - Портативный голографический
микроскоп с использованием веб-камеры
Исследователи Калифорнийского университете в
Лос-Анджелесе (University of California, Los Angeles, UCLA)
разработалиголографический микроскопдля недорогой диагностики кишечных
заболеваний. Компактное устройство использует лазер вместо линз для определения
болезнетворных бактерий в воде, пище или крови.[30]
Представленный учеными прототип весит всего 200
грамм, питается от двух батарей АА и имеет разрешение около 2 мкм (рисунок 17).
Аналогичное увеличение обычно получают при помощи громоздких и сложных
зеркально-линзовых микроскопов.
Рисунок 17 - Компактный голографический
микроскоп без линз
Как сообщает один из создателей микроскопа
профессор Айдоган Озкан (Aydogan Ozcan), устройство может работать в двух
режимах: «передача», для анализа жидкостей, и «отражение», при котором
исследуются твердые и непрозрачные материалы. Луч лазера разделяется зеркалом
на два пучка, один из которых подсвечивает образец, а отраженную «картинку»
фиксируют на КМОП-сенсор. После математической обработки изображения исследователи
получают фактически 3D-изображение образца. Ключевым преимуществом микроскопа
создатели отмечают его чрезвычайно низкую стоимость. При цене $5 за
полупроводниковый лазер и $15 за сенсор суммарная стоимость микроскопа не
превысит $100 с учетом модулей для передачи данных на компьютер или в Интернет.
Ультразвуковая голография
С помощью голографии успешно решается проблема
визуализации акустических полей. Это имеет большое прикладное значение.
Возможные применения звуковой голографии - дефектоскопия, изучение рельефа
морского дня, звуколокация, звуконавигация, поиск полезных ископаемых,
исследование структуры земной коры и т.д.
Особое значение имеет ультразвуковая голография
для медицинской диагностики.
Регистрация звуковых голограмм производится
таким образом, чтобы запись допускала оптическое восстановление.
Формирование двумерного изображения
Несмотря на то, что не существует объектов -
биологических или каких-либо других, имеющих строго два измерения, имеются
реальные преимущества для записи двумерных изображений в биологии и медицине,
так же как и реальные преимущества использования голографии для этих целей.
Рассмотрим сначала применения, а потом использование голографии в них.
Существуют две категории интересующих нас
двумерных изображений: регистрация символов и изображения объектов. К
символическим регистрациям относят диаграммы, графики, печатные страницы и др.
Проблемой для биомедицинского исследования здесь является объем информации.
Необходим дешевый, компактный, легко доступный, легко копируемый,
нечувствительный к повреждениям способ храпения, позволяющий лучшее
использование, хранение и обмен необработанных данных. Двумерные изображения
обычны, так как они являются самыми легкими для записи и, как правило, самыми
простыми для интерпретации. Требования к ним идентичны требованиям к хранению
символических изображений плюс дополнительное требование, чтобы большое число
градаций было использовано в тоновых изображениях. Так, в случае формирования
двумерного изображения голографию следует рассматривать не как прямое средство
записи изображения, а как средство архивного хранения изображений, записанных
другими способами (например, фотографическим, компьютерным построителем,
печатанием па пишущей машинке). Способность легко и просто записывать и воспроизводить
данные, низкая стоимость и высокая плотность и нечувствительность к потерям
вследствие дефектов должны увеличить полезность всех предпринимаемых сегодня
исследовательских усилий.
Голография имеет некоторые ярко выраженные
преимущества как метод хранения. Рассмотрим Фурье-голограммы, записанные в
какой-либо легкодоступной среде, например на фотографической пленке. Много
голограмм полных страниц с данными хранятся рядом друг с другом. Преимущества
этого очевидны. Во-первых, проблема фокусировки при записи (очень жесткая при
микрофильмировании) просто-напросто исчезает. Так как записан волновой фронт (а
не просто изображение), голограмма не может быть не в фокусе.
Во-вторых, проблема фокусировки при
воспроизведении (опять же сложная при воспроизведении микрофильма) фактически
отсутствует, так как голограмма настолько мала, что каждая деталь проектируется
с малым относительным отверстием (и, следовательно, с очень большой глубиной
резкости). В-третьих, оборудование при воспроизведении-простое и недорогое,
включая гелий - неоновый лазер для освещения каждой голограммы, механическую
каретку для перемещения пленки так, чтобы выбранная голограмма попадала в
пучок, и проекционный экран. В-четвертых, копирование - простое, некритичное и
дешевое. В-пятых, запись компактна. Читаемый вариант этой страницы может быть
записан на голограмме диаметром 2-3 мм. В-шестых, запись является в некотором
смысле неуязвимой к повреждениям и пыли. Информация записана в распределенной
форме, так что затемненная часть голограммы приводит лишь к малозаметному
ухудшению всего изображения, но она не уничтожает полостью ни одной его детали.
Более того, царапины, не параллельные интерференционным полосам голограммы, не
влияют на изображение.[17]
Международный концерн Royal Philips совместно с
израильской компанией RealView Imaging объявили о завершении клинических
испытаний технологии 3D голографической визуализации для проведения
хирургических операций на сердце. Новая технология RealView Imaging позволяет в
режиме реального времени создавать интерактивные трехмерные изображения,
полученные при помощи ангиографа и ультразвуковой кардиологической системы
Philips. Другими словами, данная технология дает возможность кардиохирургу без
специальных очков детально рассматривать трехмерную голограмму.[32]
Израильская голографическая система операционной
визуализации в ближайшее время сможет произвести революцию в хирургии.
Благодаря израильской компании RealView, израильские клиницисты смогут
манипулировать с 3D голограммами сердца, которые буквально «зависают в воздухе»
(рисунок 18). [31]
Рисунок 18 - «Парящая» голограмма сердца
В данном случае не требуется использования
экрана или специальных очков. Врач может коснуться и взаимодействовать именно с
трехмерным, объемным органом. Благодаря технологии очень быстрого
«светопечатания» в свободном пространстве, израильская компания RealView
обеспечила медикам беспрецедентный инструмент для планирования, выполнения и
оценки возможности проведения минимально инвазивных хирургических процедур.
Врач видит парящее динамическое изображение -
например, бьющееся сердце или плод, движущийся в утробе матери - и может
манипулировать этим образом, симулируя проведение реальной хирургической
процедуры.
Технология компании RealView состоит из двух
систем. Первая принимает любые 3D данные - УЗИ, КТ, МРТ и т. д. Вместо того,
чтобы печатать эти данные из них, посредством уникальной системы аппаратного и
программного обеспечения, создается голограмма, формирующаяся вследствие
интерференции пучков света от лазера или другого источника света. Затем
голограмма передается второй, электрооптической системе, реконструирующей эти
данные в трех измерениях в свободном пространстве.
Исследования успешно доказали в режиме реального
времени возможность использования голографической визуализации и технологии
взаимодействия во время малоинвазивных структурных процедур, необходимых при
болезни сердца.
На сегодняшний день компания RealView продолжает
клинические испытания и работает над первой коммерческой системой, которая
будет учитывать все входные данные, полученные в ходе клинических испытаний и
технического анализа и тестирования. Предположительно, новая технология
появится на рынке в 2015-м году.
2.5 Голографический сенсор
Ученые из Кембриджского университета
(Великобритания) создали чувствительный голографический сенсор на основе
гидрогеля, способный заменить диагностическое медицинское оборудование.[27]
Гидрогель с высокой абсорбирующей способностью
насыщен наночастицами серебра(рисунок 19). Под действием лазерного импульса эти
частицы создают трехмерные голографические изображения внутри фотополимерной
пленки, на которую нанесен гель. Изменение объема геля происходит из-за
контакта с различными веществами, а это приводит к изменению расположения
наночастиц. В итоге меняется и цвет голограммы. Сравнение полученного цвета со
шкалой цветовых градиентов позволит быстро интерпретировать результаты теста.
Рисунок 19 - Принцип функционирования
голографического сенсора
Сейчас голографические сенсоры проходят
клинические испытания у больных диабетом пациентов больницы Эдденбрук
(Addenbrooke'sHospital). При и помощи медики отслеживают уровень глюкозы в
крови и выявляют инфекции мочевыводящих путей.
По мнению разработчиков, их изобретение можно
будет использовать для экспресс-анализа состава крови, дыхания, мочи, слюны,
слезной жидкости с целью выявления широкого спектра химических соединений:
глюкозы, алкоголя, наркотиков, гормонов, электролитов или бактериального загрязнения
и даже поддельных лекарственных препаратов, а также для мониторинга состояния
пациентов при нарушениях функции сердца, диабете, инфекциях.
Голографический сенсор прост в применении,
быстро дает результаты, его можно использовать многократно. Его легко внедрить
в массовое производство и стоит он будет недорого (себестоимость - десять
центов). Он также легко утилизируется. Ожидается, что разработка будет
востребована в развивающихся странах, где недоступно дорогостоящее
диагностическое оборудование. Но и во всем мире люди заинтересованы в
своевременном мониторинге состояния здоровья и ранней диагностике различных
заболеваний при помощи простых и понятных устройств.
3. 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).
3.1 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, согласно которой биологическое действие НИЛИ
обусловлено высокоградиентной (высококонтрастной) структурой лазерного
излучения, т.е. такой, в которой пространственные перепады мощности излучения
очень часты, велики и резки[18]. Исходно лазерный пучок такой структуры не
имеет (волновой фронт гладкий), но при прохождении сквозь рассеивающие его
биологические ткани в нем неизбежно формируется спекл-структура. 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:
.Однородное НИЛИ не должно оказывать
специфического биологического действия.
.