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»

 

 

 

 

 

Выполнил ст. гр. 432М:

Алёшин С.И.

Проверил доц. каф. ИИБМТ:

Жулёв В.И.

 

 

Рязань 2014

Содержание

 

 

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:

1. классическая голография;
2. цифровая голография и ESPI;
3. 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 Деннис Габор, 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 Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (США), получившими в 1962 г. первую объемную пропускающую голограмму, восстанавливаемую в лазерном свете. Схема записи голограмм, предложенная этими учеными, теперь используется в голографических лабораториях повсюду в мире. 

Решающее значение для развития изобразительной голографии имели работы академика Ю.Н. Денисюка, выполненные в 60-70-х годах. Он впервые получилотражательные голограммы, позволяющие воспроизводить объемные изображения в обычном, белом свете. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Денисюком. 
 Первые высококачественные голограммы по методу Ю.Н. Денисюка были выполнены в 1968 г. в СССР Г.А. Соболевым и Д.А. Стаселько, а в США – Л. Зибертом.[1]

В связи с изобретением в 1960 г. лазера и с его последующим бурным развитием стало возможно применение голографии в биомедицинской практике.

 

 

2. Диагностическое применение голографии

Возможности данного применения голографических методов наиболее обширны и очевидны.

1. Изобразительная голография

1. Классическая голография

Голографические методы наиболее широко используются в офтальмологии, хотя и здесь трудно говорить о разработке приборов — большинство исследований относятся пока к развитию принципов голографирования биообъектов и соответствующих методик измерений. Очевидно, наиболее перспективны следующие основные направления использования голографических методов в офтальмологии: получение трехмерных изображений всего глаза или его частей, исследование оптических постоянных глаза и измерение внутренних структур глаза с высоким разрешением.[2,3] 
 Идея диагностического применения изобразительной голографии в офтальмологии базируется на способности голограмм восстанавливать точное объемное изображение предмета. Подробное микроскопическое исследование глаза 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, использовались методы классической голографии (рисунок 1).

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:

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 [4], 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 [5].

2.1.2. 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 Numerical Vision 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. Голографическая и спекл-интерферометрия

1. 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.

2. Спекл-интерферометрия

ESPI-метод

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].

ESPI-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.