82. Диагностические возможности голографии в различных отраслях промышленности и в медицине.

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 (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.

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.

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.

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.

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.

Такое изображение не является в полной мере объемным, зато легко интегрируется в современные информационные системы.

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.

Особый интерес для голографической диагностики представляет орган зрения. Глаз является органом, позволяющим получать изображение его внутренних сред обычным освещением извне, так как преломляющие среды глаза являются прозрачными для излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона.

Для практических целей (лазерная хирургия глаза, изменение формы хрусталика глаза) очень важны методы определения формы роговицы глаза. Эта задача была решена ESPI-методом.

Не менее важно определение эласто-упругих свойств внешних оболочек глаза. В качестве тестирующего воздействия предложено использовать нетравматические для глаза факторы: изменение внешнего давления, механическое давление, воздушную струю, ультразвук, электрическое поле.

диагностировать отслоения сетчатки Современные приборы позволяют как получать линейные сканы, так и работать в режиме картографирования. Но их работа связана со сканированием как в плоскости изображения, так и по глубине, что замедляет операцию исследования.

Разработаны методы исследования деформаций деталей в машиностроении, контроля поверхностей деталей сложной формы, выполнения объемных портретов, изготовления дифракционных решеток и многие другие. С помощью голографии вместо привычного плоского изображения он воссоздает объемное.

Уже изобретен голографический микроскоп с колоссальным увеличением. Близка к реализации и рентгеновская микроскопия. Коэффициент усиления голографиче-ского рентгеновского микроскопа ожидается близким к миллиону, что даст возможность заглянуть в глубь живой клетки.

В Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР проведены успешные эксперименты, подтвердившие возможность создания цветных проекционных телевизоров с лазерным кинескопом. Изучается возможность получения эффекта объемности.

Голография откроет следующую страницу перед теорией распознавания образов. Содержащая в зашифрованном виде множество зрительных образов, голограмма будет сравниваться с голограммой-эталоном путем последовательного просвечивания когерентным лучом. Если среди образов отыщется искомый, на выходном кадре вспыхнет яркая точка. Поиск и распознавание образов голографическим способом будут вестись с колоссальной скоростью - в десятки тысяч раз быстрее, чем с помощью электронно-вычислительных машин.

В океанографических исследованиях может найти применение так называемое звуковидение - акустический вариант голографии. Предполагают, что с помощью голографии можно визуально наблюдать внутренние органы человека и животных. В случае удачи медицина получит новое средство диагностики, значительно превосходящее по эффективности рентген.

Специалисты надеются научиться осуществлять голо-графическую запись, облучая объект не только видимым светом, но и радиоволнами, звуком, ультразвуком, Появилась реальная возможность рассматривать предмет изнутри. Широкий выбор волн для записи информации на голограммах позволит видеть сквозь непрозрачные тела, слышать через безвоздушное пространство, проникать взором в микромир, запечатлевать мгновенные состояния быстротекущих процессов, осуществлять бесконтактный неразрушающий контроль поверхностей.

Используя стереоскопические методы, можно по объемным голографическим изображениям определять форму осколков взрыва, пузырей в газожидкостном потоке, а также координаты их центров, следы треков в пузырьковых камерах, обнаруживать патологические изменения внутреннего строения глаза человека по его трехмерному изображению. При этом в отличие от обычных стереоскопических изображений голографическое изображение может рассматриваться с различных ракурсов, вплоть до получения полного изображения объекта с углом обзора 360°.

Голографические методы регистрации объемных изображений имеют особое значение в микроскопической технике. Так как микроскоп с большим увеличением имеет очень небольшую глубину поля зрения, с его помощью можно одновременно наблюдать только небольшие участ­ки сцены, которые находятся в непосредственной близости от фокаль­ной плоскости микроскопа. Для наблюдения всей сцены по глубине необходимо производить перефокусировку микроскопа. Если предметом изучения являются движущиеся микрообъекты, например живые ор­ганизмы в некотором объеме жидкости, то за время перефокусировки микроскопа микроорганизмы могут переместиться в пределах сцены, что может создать искаженное представление об изучаемых объектах , и их количестве. Техника голографии позволяет преодолеть эту трудность. Для .этого необходимо произвести голографирование изучаемой области через объектив микроскопа, имеющий сравнительно большую глубину резкости, с помощью импульсного источника излучения либо с помощью скоростной кинокамеры при непрерывном излучений.

Полученные объемные изображения следует затем рассматривать через окуляр микроскопа, который можно фокусировать на различ­ные плоскости полученной объемной картины «застывших микроорганизмов». С помощью этого метода можно наблюдать жизнедеятельность; различных простейших организмов, деление живых клеток и изучать свойства жидкостей и газоз, содержащих примеси микроскопических частиц и др. Чрезвычайно полезно применение для определения состояния клеток, причем даже в живом состоянии, без какой-либо дополнительной обработки (окраски, фиксации).