История и перспективы развития голографических методов в медицине

1 – ГОЭ; 2 – интерференционный объем; 3 –  профилированная структура; 4 – рассеиватель; 5 – спеклы.

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 [19, 22], 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.

2. Голографические генераторы сингулярных пучков для НИЛИ

Сингулярная оптика, или оптика вихревых пучков — новое и весьма активно развивающееся направление [23, 24]. 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 топологи-ческого 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 (рисунок 22).

Рисунок 22 – Фазовая структура и распределение интенсивностей в поперечном сечении сингулярного пучка с топологическим зарядом +1.

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 (рисунок 18). 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 (рисунок 23). 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.

Рисунок 23 – Слева: схема генерации сингулярных пучков при помощи синтезированной голограммы; справа: структура мультивихревой голограммы и синтезированного с ее помощью мультивихревого пучка.

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 настоящее время число опубликованных работ по голографии исчисляется сотнями тысяч и непрерывно растет. Голография стала популярной не только среди узкого круга специалистов в данной области. Возможности голографии высоко оцениваются учеными иинженерами различного профиля и широкой научной общественностью.Голография открывает новые пути для исследований. В настоящее время в России и за рубежом быстро увеличивается число голографических разработок и ассигнований на эти работы.

Несомненно, и то что с развитием методов голографии появляются новые области ее применения, появляются принципиально новые технологии, базирующиеся на ней.

Результаты работы дают основания говорить об очень перспективном применении голографических методов биомедицинской практике.

 

 

Список используемых источников

[1]. http://www.holography.ru/histrus.htm

[2]. Копейко Л.Г., Хухлаев К.К. Зарубежная радиоэлектроника. – №7.1976. 100 с.

[3]. Бейлин Е.Н., Лехцнер Е.Н. Лазерные методы лечения и ангиографические методы лечения в офтальмологии – М.: МНИИ микрохирургии глаза, 1983. 192 с.

[4]. Тюрин A.В., Попов А.Ю., Жуков С.A., Берков Ю.Н. Механизм спектральной сенсибилизации эмульсии, содержащей гетерофазное «ядро-оболочку» – Микросистемы // Фотоэлектроника, № 18, 2007, с. 128-132.

[5]. Логаи И.M., Красновид T.A., Асланова В.С., Попов А.Ю., Тюрин A.В., Белоус В.M., Шугайло Ю.B. Применение когерентных методов геометрической оптики (интерферометрии) для человеческого глаза тканей диагностику патологии. – Материалы XII съезда Европейского общества офтальмологии, Стокгольм, 1999.

[6]. Константинов В.Б., Бабенко В.А., Малый А.Ф. Голографический интерференционный микроскоп для лабораторных исследований. – ЖТФ, Т. 77, № 12, 2007, с. 92-95.

[7]. Бейлин Е.Н., Лехцнер Е.Н. Лазерные методы лечения и ангиографические методы лечения в офтальмологии. – М.: МНИИ микрохирургии глаза, 1983, 192 с.

[8]. 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. Т. 56, № 4, 1992, с. 206-209.

[9]. Сминтина В.А., Тюрин О.В., Попов А.Ю., Жуковський В.К. Способ фазомодульования спекл-интерферометрии для измерения изменения фазы объектной волны: Патент № 80706, 2007.

[10]. Попов А.Ю., Тюрин А.В., Санталов А.С., Квитка Л.А. Перспективы спекл-интерферометрии для криминалистических исследований // Современная специальная техника. — Т.22, № 3, 2010, с. 99-109.

[11]. Сминтина В.А., Тюрин О.В., Попов А.Ю. Способ получения топограммы поверхностей объектов: Патент № 46059, 2009.

[12]. Сминтина В.А., Тюрин О.В., Попов А.Ю., Квитка Л.А., Лотореев В.О., Санталов О.С. Иммерсионный способ получения топограммы поверхностей дифузионных объектов: Патент № 54672, 2010.

[13]. Джейкок П.Д., Лобо Л., Ибрагим Ж., Тирер Ж., Маршал Ж. Интерферометрические технологии для измерения биомеханических изменений в роговице, вызваной рефракционной хирургии // Журнал катаракты и рефракционная хирургия. — Т.31, № 1, 2005, с. 175-184.

[14]. Сминтина В.А., Тюрин О.В., Попов А.Ю., Щипун С.К. Способ определения эласто-упругих свойств глаза: Патент № 14206, 2006.

[15]. Попов А.Ю, Тюрин О.В., Ткаченко В.Г., Чечко В.Э., Попова Н.А., Джуртубаева Г.Н. Фазово-чувствительный спекл-интерферометрический микроскоп для анализа вариаций коэффициента преломления в биологических объектах // V Международная конференция по оптико-электронным информационным технологиям PHOTONICS-ODS 2010, рефераты. — № 231, с. 129.

[16]. 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.

[17]. Макмахон Д.П. Фокус лазера. — Т.6, № 34, 1970, 798 с.

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

[19]. Тучин В.В // Известия РАН. Серия физическая, Т. 59, № 6, 1995, С. 120.

[20]. Куджава Ж., Заводник Л., Заводник И., Буко В., Лапшина А., Брижевская M. // Клиническая лазерная медицина. — Вып. 22, № 2, 2004, 111 с.

[21]. Кару Т.И. // Журнал о IEEE — Вып. QE-23,1987, с. 1703-1717

[22]. Малов A.Н., Малов С.Н., Фешченко В.С. // Лазерные физики. — Вып.6, № 5, 1996, 979 с.

[23]. Бекшаев A.Я., Попов A.Ю. Метод орбитальной оценки углового момента светового пучка с помощью моментов интенсивности космических угол // Укр. оптика. — № 4, 2002, с. 249-257

[24]. Бекшаев А., Попов А. Эффект Доплера для неколлинеарных вращений вихревых световых пучков // Труды ООФ. — Вып. 5477, 2003.

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

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

[27]. http://polit.ru/news/2014/01/25/ps_holotests/

[28]. Константинов В.Б., Бабенко В.А., Малый А.Ф. Голографический интерференционный микроскоп для исследования микрообъектов. – Журнал технической физики, Т. 77, №. 12, 2007

[29]. http://lenta.ru/news/2012/11/07/holowebcam/

[30]. http://gizmod.ru/2011/09/09/kompaktnyj-golograficheskij-mikroskop-bez-linz/

[31]. http://isramedinfo.ru/tours/15/236/

[32]. http://lenta-ua.net/novosti/tehnologii/36781-3d-gologrammy-novyy-shag-v-razvitii-vizualizacii-v-kardiohirurgii-video.html