История и перспективы развития голографических методов в медицине

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. 

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's Hospital). 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).

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:

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 рисунке 20 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 [18].

Рисунок 20 – Staphylococcus aureus + гентомицин. Зависимость отношения количества колоний на необлученной и облученной частях чашки Петри (К) от пространственной частоты интерференционной картины. Справа колонии в чашке Петри; часть, облученная пучком с оптимальной структурой (1000 линий на мм), выделена кругом, треугольный след справа – воздействие переотражений пучка между чашкой и крышкой, которые в данном эксперименте не подавлялись.

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 [19-22].

Аналогичные данные были получены при испытаниях в НИИ физики ОНУ 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 рисунке 21 представлены возможные конструкции насадок на излучатели, которые могут сформировать требуемую высокоградиентную структуру света.

Рисунок 21 – Насадки с использованием: А – голограммного оптического элемента; В – прозрачной профилированной структуры наподобие линзы Френеля; С – рассеиватель с заданной модуляцией коэффициентом преломления: