Глава 10. Перспективы голографии живого

Теперь, когда мы являемся свидетелями настоящего "голографического взрыва" в различных областях человеческого знания, сомнения скептиков о возможностях голографии кажутся, по меньшей мере, наивными. Однако еще совсем недавно, в конце 60-х годов шансы голографии расценивались весьма невысоко.

Когда ленинградский аспирант Ю. Н. Денисюк (ныне лауреат Ленинской премии, член-корреспондент АН СССР) подал в 1982 г. авторскую заявку на открытие нового физического явления, то все три отзыва из весьма солидных научных учреждений, к сожалению, были отрицательные. В одном даже говорилось, что "все это давно уже было и всем давно известно", слово "открытие" многократно бралось в кавычки.

Комитет по делам изобретений и открытий не признал открытия Ю. Н. Денисюка (забегая вперед, отметим, что это ошибочное, как потом оказалось, решение было исправлено в 1970 г.).

Возможно, критика всего нового, необычного на первых порах бывает чересчур сурова, порой даже не совсем объективна. Но истина рано или поздно проложит себе дорогу. Критика - своего рода свежий ветер, гасящий карнавальные искры гипотез-однодневок.

Однако если иметь в виду историю с голографией, парадокс заключается в том, что противники денисюковской идеи были в чем-то правы: голографию вполне могли открыть еще в XVII в. Именно могли. Могли, но не открыли! Голография буквально "висела на кончике пера". Интересно, что цветная голография тоже "висела на кончике пера". Ведь способ получения цветных фотографий с помощью толстослойных эмульсий был известен еще в XIX столетии. Однако только Ю. Н. Денисюк смог довести эти идеи до их материального воплощения. Причем воплощения на качественно иной основе.

Обычно фотопластинку, на которой регистрируется голограмма, рассматривают как среду, обладающую двумя измерениями. Это верно лишь до тех пор, пока толщина светочувствительного слоя сравнима с расстоянием между соседними интерференционными полосами. Если слой много толще, то проявляются особые свойства фотопластинки как трехмерной среды, впервые отмеченные Г. Липманом в 1891 г. и использованные им для цветной фотографии. Лауреат Ленинской премии, член-корреспондент АН СССР Ю. Н. Денисюк предложил использовать трехмерные среды для регистрации голограмм.

Если два интерферирующих пучка направлены навстречу друг другу (под углом α = 180°), то, как известно, в пространстве возникают стоячие волны - системы плоскостей узлов и плоскостей пучностей, расстояние между которыми равно ^λ/₂. Если, в более общем случае, α≠180°, то нетрудно видеть, что расстояние между пучностями (или узлами) возрастает в ¹/_{Sin ^α/2} раз и становится равным ^λ /_2Sin^α/2. Плоскости узлов и пучностей световых волн будут, как видно из рис. 4, направлены по биссектрисе угла α.

Рис. 4. Схема Ю. Н. Денисюка. Стоячие волны образуются либо встречными пучками (а), либо пучками, сходящимся под углом, отличным от 180^о (б); в - принцип востановления световой волны с помощью трехмерной голограммы

Если ввести в зону пересечения световых пучков светочувствительную фотографическую эмульсию, то система узлов и пучностей будет в ней зафиксирована в виде полупрозрачных отражающих слоев металлического серебра.

Такая трехмерная дифракционная решетка будет обладать следующими свойствами: 1) свет, зеркально отраженный от слоев, будет восстанавливать волну от предметов. Действительно отражающие слои, как уже было сказано, направлены по биссектрисе угла, который составляют интерферирующие лучи, что и обеспечивает указанное свойство голограмм (рис. 4, в); 2) нулевой порядок, а также действительное изображение не будет создаваться; 3) пучки, отраженные от разные слоев, будут усиливать друг друга только в случае, если они синфазны (условие Липмана - Брэгга). Это приведет к избирательности голограммы по отношению к длине волны источника, в свете которого происходит восстановление волнового фронта. Условие синфазности выполнится лишь для той длины волны, в свете которой происходило образование голограммы.

Поэтому появляется возможность восстанавливать изображение с помощью источника сплошного спектра (лампы накаливания, солнца). Если голограмма экспонировалась в свете нескольких спектральных линий (например, синей, зеленой, красной), то каждая длина волны образует свою систему поверхностей. Соответствующей длины волны будут выделяться из сплошного спектра при восстановлении изображения, что и приведет к восстановлению не только структуры, но и спектрального состава световой волны, т. е. к получению цветного изображения. Все это справедливо, если обработка эмульсии не изменяет взаимного расположения отражающих плоскостей. Иногда вследствие усадки эмульсии длина волны восстановленного изображения смещается в "синюю" (коротковолновую) сторону.

Взаимное расположение опорного источника, голограммы и предмета может быть любым. Однако для возникновения у голограммы трехмерных свойств необходимо, чтобы на толщине эмульсии укладывалось по крайней мере несколько отражающих слоев. При заданной толщине эмульсии это требование определяет зоны, в которых голограмму можно считать трехмерной.

При заданном положении голограммы наименьшей трехмерностью будет обладать голограмма, ориентированная перпендикулярно преимущественному направлению поверхностей узлов и пучностей. Такое расположение наиболее выгодно только в том случае, если необходимо получить действительное изображение при восстановлении волнового фронта с помощью несмещенного опорного источника. Если же нужно получить максимальную трехмерность, наиболее выгодно ориентировать голограмму вдоль отражающих слоев. При этом яркость действительного изображения нулевого порядка будет минимальной.

Толщина голографических фотоэмульсий - порядка нескольких микрон. Чтобы проявлялись трехмерные свойства голограммы, надо, чтобы отражающие слои располагались на расстояниях, в несколько раз меньших. Например, для эмульсии Кодак 649F эффекты третьего измерения проявляются, когда расстояние между отражающими слоями менее 4 мк [9], [10].

Открытие Ю. Н. Денисюка позволило создать высокоточные цветные объемные индикаторы. Их особенность состоит в том, что они не нуждаются в когерентной подсветке. Даже обычный солнечный свет в сочетании с толстослойной эмульсией в состоянии воспроизвести поразительные эффекты трехмерности. Но этого мало. Голограммы Денисюка чрезвычайно важны для врача-физиолога. Ведь не следует забывать также о чрезвычайной информативности цветовых характеристик медико-биологических объектов. Так, гемоглобин крови, содержащий железо, служит в организме главным образом как переносчик кислорода. В состав молекулы гемоглобина входят четыре иона железа в степени окисления + 2. Каждый из них способен соединяться с двумя атомами кислорода. Реакция с кислородом обратима: он поглощается в легких, где его сравнительно много, и освобождается в тканях, где кислорода мало. При этом происходит изменение цвета крови. Гемоглобин, содержащий кислород, окрашивает артериальную кровь в ярко-красный цвет, а гемо- . глобин, лишенный кислорода, придает крови темно-красный цвет. Это происходит без изменения состояния иона железа: он находится всегда в одном и том же состоянии окисления +2. Но вот, если кровяные тельца на голографическом индикаторе приобретают коричневатый оттенок, это свидетельствует о начале серьезных изменений в организме, поскольку при этом железо приобретает степень окисления +3.

Голографический эндоскоп

Известны два пути реализации медицинских эндоскопических приборов с использованием голографического метода регистрации волновых полей [20]. Один из них предполагает регистрацию голограммы объекта внутри исследуемой полости. С этой целью в полость вводят капсулу с фотопленкой, на которой должна быть зарегистрирована голограмма, а излучение, необходимое для формирования объектной и опорной волн ее регистрации, вводят с помощью оптического волокна либо линзового волновода. Приборы, основанные на таком принципе, позволяют получить объемное изображение полости в пределах достаточно большого угла поля зрения. К недостаткам таких приборов следует отнести относительную громоздкость капсулы, низкое качество изображения, обусловленное искажениями опорной волны при ее передаче к месту регистрации голограммы, невозможность наблюдения изображения в реальном масштабе времени.

Другой возможный путь создания голографическо-го эндоскопа предполагает передавать волновое поле излучения, рассеянного объектом по жесткой волоконной детали, а затем корректировать вносимые волокном фазовые искажения с помощью голограммы.

При этом оказывается возможным реализовать эндоскоп для наблюдения в реальном времени с большой разрешающей способностью при малом диаметре световода.

Учитывая высокую разрешающую способность и малый диаметр световода, можно создать на этом принципе эндоскоп-иглу. Советские ученые исследовали образования изображения при передаче волнового поля по волоконной детали с последующей коррекцией фазовых искажений волокон по методу, предложенному ранее для компенсации искажающего действия тонких неоднородных сред. На основании экспериментальных исследований были определены основные оптико-технические параметры эндоскопа с голографической коррекцией фазовых искажений.

Можно отметить ряд особенностей предлагаемого метода формирования изображения. Это высокая разрешающая способность; отсутствие объектива на дистальном конце эндоскопа; малый диаметр волоконной "иглы", который можно довести до 1-2 мм; отсутствие структуры волоконной детали в наблюдаемом изображении.

Правда, следует учитывать и ряд факторов, ограничивающих возможность рассматриваемого метода. К их числу относятся наличие фона в изображении, что затрудняет наблюдения малоконтрастных объектов, и необходимость осуществлять наблюдение в монохроматическом свете. Поэтому окончательные выводы о целесообразности подобных эндоскопов могут быть сделаны только после проведения специальных исследований на биологических объектах.

В криобиологии

Биология низких и сверхнизких температур - криобиология [20] привлекает все большее внимание специалистов в связи с тем, что низкие температуры обеспечивают пока практически единственную возможность длительного хранения клеток и тканей в жизнеспособном состоянии.

Современная криобиология признана решать такие проблемы, как раскрытие механизмов повреждения и защиты клеток з процессе замораживания - оттаивания, разработку и внедрение в практику эффективных методов глубокого охлаждения и хранения тканей и органов.

Разработка методов низкотемпературного хранения клеток и изолированных органов имеет огромное значение для дальнейшего развития медицины. В связи с этим возникает целый ряд принципиальных вопросов, решение которых необходимо для дальнейшего прогресса криобиологии. В частности, необходим анализ основных физических явлений, производящих в ней. Только более ясное представление о физических и химических факторах, лежащих в основе явлений, происходящих при замораживании клетки, даст возможность предсказывать, как повлияет данный эксперимент по замораживанию на жизнеспособность живой клетки.

Практика криобиологических исследований показала, что внедрение физических методов исследования при проведении экспериментов по замораживанию биоматериала позволяет раскрыть наиболее существенные, оказывающие сильное влияние на жизнеспособность клеток явления и составить на строго физическом уровне представления о механизме действия различных факторов, повреждающих клетки.

Изучение указанных явлений до сих пор производилось методами оптической криомикроскопии, криорентгенографии, дифференциального термического анализа и др. Однако они не позволяют получить достаточно полной информации, необходимой для понимания процессов, происходящих в биообъектах при действии повреждающих факторов холода. В связи с этим большие возможности открываются перед голографическими методами.

Была проведена серия успешных экспериментов по исследованию клеток крови и растворов, в которых они находились, методами голографической микроскопии при различных скоростях замораживания. В одном из них луч лазера делится светоделителем на два луча, один из которых формирует опорной волновой фронт, а второй, проходя через криокамеру с исследуемым образом, формирует сигнальный волновой фронт. Подача хладагента (паров жидкого азота) производилась от сосуда, в который помещался электронагреватель. Давление паров, попадающих в криокамеру, пропорционально напряжению, приложенному к нагревателю. Таким образом, скорость охлаждения образца являлась функцией приложенного к нагревателю напряжения.

Ввиду ограниченности объема воздуха в пространстве, образованном поролоновой втулкой, объективом и покровным стеклом, конденсация паров незначительная и практически не вносит помех при наблюдении.

Проведенные эксперименты показали, что, когда ткань или суспензия клеток подвергаются замораживанию, в ней образуются кристаллы льда, причем, как правило, вначале в межклеточной жидкости. По мере дальнейшего охлаждения количество льда в межклеточной среде увеличивается вплоть до полного затвердевания препарата.

Голограмму анализирует ЭВМ

В последние годы в биологии и медицине стали уделять большое внимание апостериорной обработке изображений [20]. Это связано с тем, что, во-первых, существующая аппаратура во многих случаях достигла своего предела разрешения. Во-вторых, имеет место воздействие разного рода причин, ухудшающих качество изображения: смазывание изображения из-за движения объекта или регистрирующего аппарата, дефокусировка, влияние рассеивающей среды и т. д. В некоторых случаях требуется трехмерное представление исследуемого объекта, в то время как исходная информация принципиально может быть получена только в виде двумерных снимков.

В медицинской практике обычно имеют дело с изображениями, полученными в рентгеновском, ультразвуковом и оптическом диапазонах, а также в электронных микроскопах. Основные задачи апостериорной обработки в медицине сводятся к следующим: улучшение качества изображения, выявление отличий двух изображений, голографический синтез трехмерных изображений и распознание объектов.

Качество рентгеновских снимков определяется размерами фокуса рентгеновской трубки, разрешающей способностью фотоматериала, структурой флюоресцирующего экрана и характером регистрируемого объекта. Как известно, основное влияние на качество рентгеновского изображения оказывают конечные размеры фокуса трубки. В то же время в медицинской практике часто требуется различимость весьма мелких деталей, например, коронарных сосудов высших порядков при ангиографии сердца.

Следующая задача апостериорной обработки в медицине и биологии заключается в выявлении отличия двух изображений одного и того же объекта, снятых в разные отрезки времени. Это позволяет обнаруживать, например, новообразования, малозаметные для глаза, и таким образом, диагностировать болезнь на ее ранней стадии.

Очевидно, что двумерные изображения не могут дать полной информации об исследуемом объекте, поэтому естественно возникновение задачи трехмерной визуализации медико-биологических объектов. Решение этой задачи, в частности, существенно повысит диагностическую ценность рентгеновских снимков и значительно облегчит работу хирургов.

Существующие системы апостериорной обработки медико-биологических изображений не удовлетворяют в полной мере решению поставленных задач. Наилучшие результаты достигнуты в системе, работающей по методу выравнивания контраста при помощи фотографического репродуцирования с электронным управлением. Однако эта система не повышает разрешающей способности снимка и не позволяет выявить большее количество деталей, чем то, которое можно увидеть при тщательном изучении снимка на обычном просмотровом устройстве с регулируемой освещенностью.

Применение ЭВМ для обработки изображений значительно продвинуло решение задачи улучшения качества снимков. Здесь уже можно говорить о выявлении деталей, не наблюдаемых на исходном снимке. Однако применение ЭВМ требует больших материальных затрат и длительного времени обработки. Практически они могут быть использованы только для обработки ограниченных по размеру участков изображений.

Менее успешно решается задача трехмерной визуализации объектов. Попытки, предпринятые в этом направлении, привели к созданию лишь стереоскопических систем, в частности, диагностической системы для наблюдения рентгеновских изображений. Но, как известно, в стереоскопических системах присутствует только одна стереопара, и предмет наблюдается только с одного ракурса без параллакса, следовательно, возможность всестороннего наблюдения объекта отсутствует.

Когерентно-оптические системы с применением методов голографии представляются наиболее перспективными. Основные достоинства этих систем, как уже отмечалось, заключаются в высокой скорости обработки весьма больших объемов информации, простоте выполнения интегральных преобразований типа свертки, корреляции, фурье-преобразования и других математических операций. Помимо этого, следует отметить относительную конструктивную простоту и компактность этих систем. Что касается трехмерной визуализации изображений объектов, то тут преимущества голографических систем очевидны.

Применение обычных голографических методов в оптическом диапазоне позволяет получить трехмерные изображения только внешних органов и легко доступных полостей. Ультразвуковая голография принципиально дает возможность визуализировать внутренние органы, но при переходе из ультразвукового диапазона в оптический из-за большой разницы в длинах волн теряется трехмерность. Поэтому, естественно, возникает необходимость в записи так называемых составных голограмм. Этот метод используется для решения разного рода задач, в том числе и для получения трехмерных голографических изображений по серии разноракурсных плоских снимков.

Существует несколько способов получения составных голограмм, однако все они сводятся к следующему. Записывается исходная информация в виде набора снимков объекта (в любом диапазоне длин), регистрируемых с различных точек наблюдения. Пленка с полученным набором разноракурсных изображений объекта помещается в систему голографической записи, и каждый кадр последовательно голографируется в виде отдельной полоски на одном и том же регистрирующем материале. После каждой экспозиции регистрирующая среда смещается на ширину щели, и затем экспонируется следующий кадр. Записанная таким образом составная голограмма восстанавливается обычным путем, и наблюдатель видит объемное изображение объекта. При повороте голограммы или смещении точки наблюдения можно рассмотреть изображение предмета практически со всех сторон, вплоть до 360°. Такой метод наиболее перспективен (и по-видимому, является единственным в настоящее время) для трехмерной визуализации внутренней структуры медико-биологических объектов. Это утверждение станет более обоснованным, если мы перечислим ряд достоинств, которыми обладает метод составных голограмм с точки зрения его использования в медицине и биологии:

возможность получения объемных изображений практически с любым углом обзора;

отсутствие необходимости разработки специальной аппаратуры для записи набора двумерных снимков, так как современная рентгенографическая, ультразвуковая, электронно-микрографическая и эндоскопическая техника в принципе позволяет иметь исходную информацию в требуемом виде:

возможность получения объемного изображения в динамике;

компактность и простота в эксплуатации.

Из известных способов записи составных голограмм конструктивно наиболее простым является наложение ряда голограмм одна на другую. При этом засвечивается вся поверхность фотопластинки. После каждой экспозиции пластинка поворачивается на угол, соответствующий разнице ракурсов между двумя соседними плоскими снимками, на которых зарегистрировано исходное изображение объекта. Минимальный угол поворота будет определяться ориентационной чувствительностью фотоматериала и допустимым угловым разрешением выходного зрачка глаза. При углах, меньших 15°, ухудшается разрешение восстановленного изображения, так как при реконструкции два изображения с соседних голограмм одновременно будут наблюдаться одним и тем же глазом. В данном случае следует учитывать также шумовые свойства фотоматериала. Каждая последующая голограмма, наложенная на предыдущую запись, вносит дополнительный шум и снижает контраст восстановленного изображения. Этот факт является недостатком данного метода и ограничивает количество голограмм, записываемых на единицу площади регистрирующего материала, а следовательно, снижает эффект объемности и угол обзора исследуемого объекта.