Танин Л.В. Биомедицинская и резонансная оптика: теория и практика: голографические и спекл-оптические исследования диффузных, фазовых и зеркальных объектов в статическом и динамическом состояниях (когерентная и нелинейная оптика, голография, лазерная физика, биомедицина) / Л.В.Танин, А.Л.Танин; НАН Беларуси, Ин-т физики им. Б.И.Степанова. - Минск: Беларуская навука, 2011. - 686 c. - ISBN 978-985-08-1256-8  Место хранения:   053 | Институт лазерной физики CO РАН | Новосибирск | Библиотека

Оглавление / Contents

О КНИГЕ И ЕЕ АВТОРАХ ............................................ 7 ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................... 14 Глава 1. РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУСТВИТЕЛЬНОСТИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ (ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НАТРИЕВОЙ ПЛАЗМЫ), ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ (ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ), ДИНАМИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ (ЗАПИСЬ В ПАРАХ НАТРИЯ) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЯХ ................................. 19 О ПРОБЛЕМАХ В РЕЗОНАНСНОЙ ОПТИКЕ ............................... 19 1.1 Лазер на растворе родамина 6G с лазерной накачкой для голографии, резонансной интерферометрии и флуоресценции ... 22 1.2 Пространственная когерентность излучения лазера на растворе родамина 6G с лазерной накачкой и методы ее измерения ................................................. 25 1.2.1 Голографический ступенчатый и интегральный методы определения пространственной когерентности излучения .......................................... 29 1.2.2 Измерение пространственной когерентности излучения лазера на родамине 6G с лазерной накачкой интерференционным и голографическими методами: голографический, голографический с микрофотометрированием исходного распределения интенсивности и интегральным ....................... 33 1.3 Резонансный метод повышения чувствительности интерферометрии в исследованиях низкотемпературной натриевой плазмы .......................................... 41 1.4 Метод резонансной флуоресценции для диагностики водородной плазмы в установке токамак ФТ-I с использованием лазеров на красителях [12] ................. 49 1.4.1 К вопросу о создании когерентного источника излучения с длиной волны Lα (121,6 нм) для изучения распределения концентрации атомов водорода в плазме методом резонансной флуоресценции [13] ................................. 51 1.5 Новый класс регистрирующих сред для голографии - газообразные среды. Исследование условий записи динамических амплитудно-фазовых голограмм (плоских и объемных) в парах натрия [17-20] .......................... 53 1.6 Исследование влияния рассогласования плоскостей поляризации пучков, образующих объемную дифракционную решетку, на процесс самодифракции ......................... 60 1.7 Результаты и выводы ....................................... 64 Литература ..................................................... 68 ГЛАВА 2. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ И ДИФФУЗНЫХ ОБЪЕКТОВ (НЕРВНОЕ, МЫШЕЧНОЕ ВОЛОКНО, ЛИМФОЦИТЫ, НЕРВ, МЫШЦА) В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ, ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, ГИПЕРБАРИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПРЕРЫВНОГО И СТРОБИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА ............... 84 БИОМЕДИЦИНСКАЯ ОПТИКА: ИСТОКИ СОЗДАНИЯ НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ .... 84 2.1 Голографическая микроскопия в исследованиях фазовых, диффузных и зеркальных микрообъектов ...................... 86 2.1.1 Голографические интерференционные микроскопы, работающие на пропускание и в отраженном свете ..... 93 2.1.2 Кратко о когерентных шумах в изображении диффузных микрообъектов - спеклах и способах их устранения ......................................... 97 2.1.3 Особенности формирования голографических интерферограмм микрообъектов, связанные с зависимостью контраста интерференционной картины от расфокусировки .................................. 99 2.1.4 Локализация интерференционной картины при однородном радиальном изменении цилиндрического объекта ........................................... 107 2.2 Голографическое исследование структурно-функциональных характеристик фазовых микрообъектов: нервных волокон и лимфоцитов ............................................... 109 2.2.1 Что представляют собой нервная клетка, нервное волокно как объект физических исследований? ....... 110 2.2.2 К вопросу о нейронной голографии и свойствах головного мозга как объемной динамической голограммы ........................................ 118 2.2.3 Разработка методики лазеропунктуры [4, 6, 11, 12] и внутривенного лазерного облучения крови [16, 18, 21, 26-35, 37, 39-45, 48, 52, 53] для лечения неврологических проявлений поясничного остеохондроза ..................................... 126 2.2.4 Изолированные препараты - адекватная экспериментальная модель исследования влияния лазерных, магнитных полей, гипербарии на возбудимость нервной и мышечной ткани организма ......................................... 134 2.2.5 О влиянии магнитных полей на биологические объекты ........................................... 138 2.2.6 Исследование воздействия мощного импульсного магнитного поля на состояние изолированного нерва ............................................. 140 2.2.7 Голографическая микроинтерферометрия в исследовании рефракционных свойств нервных волокон (нервное волокно - оптический волновод) ... 144 2.2.8 К вопросу изучения процессов мышечного сокращения (мышечное волокно как высокоэффективная дифракционная решетка) .......... 159 2.2.9 Исследование структурно-функционального состояния лимфоцитов методом голографической интерференционной микроскопии ..................... 163 2.3 Голографическое исследование с электрофизиологическим контролем воздействия гипербарии на изолированные препараты одиночных нервных волокон, нервных волокон в составе нервного ствола и одиночных мышечных волокон ..... 166 2.3.1 Подходы к изучению механизмов воздействия гипербарии на организм человека ................... 166 2.3.2 Голографическое и электрофизиологическое исследование воздействия газового давления в диапазоне 0÷5 атм на изолированное одиночное нервное волокно [15] .............................. 170 2.3.3 Исследование воздействия гипербарии на нервную ткань в диапазоне гидростатических давлений 0÷200 атм ......................................... 177 2.3.4 Исследования одиночных изолированных мышечных волокон при газовой гипербарии [15] ............... 184 2.4 Разработка и усовершенствование метода голографической интерференционной микроскопии для исследований деформаций, возникающих при термическом нагреве зеркальных и диффузно рассеивающих микрообъектов ......... 188 2.4.1 Возможные перспективы развития голографической микроскопии ....................................... 196 2.5 Результаты и выводы ...................................... 198 Литература .................................................... 207 ГЛАВА 3. ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ВО ВРЕМЕНИ СОСТОЯНИЙ ДИФФУЗНЫХ ОБЪЕКТОВ (В ЧАСТНОСТИ, ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ КРОВООБРАЩЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЖИМОВ: МНОГОДЛИННОВОЛНОВОГО ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ИНТЕРВАЛА МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЯХ И СДВОЕННЫХ МОНОИМПУЛЬСОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА НА РУБИНЕ С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ ПЕРИОДОМ ИХ СЛЕДОВАНИЯ ........................ 253 РАЗВИТИЕ НОВЫХ НАУЧНЫХ ПОДХОДОВ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ В МЕДИЦИНЕ .................... 253 3.1 Голографический метод оконтуривания статических и изменяющихся во времени поверхностей с использованием многодлинноволнового излучения лазера на красителях с лазерной накачкой и резонансных, поглощающих и оптически активных сред .................................. 261 3.1.1 Голографический метод оконтуривания рельефа поверхности с использованием двух- и четырехдлинноволнового режима генерации лазера на красителе с лазерной накачкой и регулируемым спектральным интервалом между ними ................ 261 3.1.2 К вопросу о возможности увеличения пространственного разрешения метода голографического оконтуривания рельефа поверхности при использовании резонансных сред [32] .............................................. 266 3.1.3 Голографический двухдлинноволновой метод определения абсолютного рельефа поверхности, основанный на применении поглощающих сред [34, 35, 38, 39, 46] .............................. 269 3.1.4 Исследование абсолютного рельефа поверхности иммерсионным методом [37] ......................... 272 3.1.5 Исследование возможности расширения класса исследуемых объектов в голографических методах определения абсолютного рельефа поверхности [38] .............................................. 276 3.1.6 Многоракурсный метод оконтуривания рельефа поверхности [36, 40] .............................. 279 3.1.7 Кратко о муаровом оконтуривании рельефа поверхностей [55] ................................. 283 3.1.8 Голографический метод оконтуривания рельефа поверхности, основанный на изменении состояния поляризации объектных волн [42, 43, 51, 52, 57] ... 286 3.1.9 Повышение пространственного разрешения топографических многолучевых методов оконтуривания рельефа поверхности [45, 47, 54] .... 292 3.2 Голографическая интерферометрия с использованием режима генерации сдвоенных моноимпульсов рубинового лазера с регулируемым временным интервалом между ними ............. 295 3.2.1 Голографическое исследование деформаций нижней челюсти человека в излучении непрерывного гелий-неонового лазера [103-105, 107-109, 115, 117] .............................................. 295 3.2.2 Голографическая запись напряженности мышц кисти человека в излучении импульсного лазера на рубине со сдвоенным моноимпульсом [119] ........... 302 3.3 Лазерно-голографический комплекс (голографический кардиограф) для исследования состояния системы кровообращения человека [127-130] ........................ 306 3.3.1 Состав лазерно-голографического комплекса для определения состояния системы кровообращения человека .......................................... 309 3.3.2 Принцип работы комплекса .......................... 320 3.3.3 Уравнения для интерпретации интерференционных полос ............................................. 325 3.3.4 Методы определения величины смещения точек поверхности исследуемого объекта с учетом направления смещений .............................. 327 3.3.5 Методы непосредственного измерения функции разности фаз ...................................... 329 3.3.6 Способы расчета перемещений точек исследуемого объекта интерференционно-голографическим методом ........................................... 331 3.3.7 Один из вариантов оптической схемы лазерно- голографического комплекса ........................ 335 3.3.8 Оптическая схема лазерно-голографического комплекса (голографического кардиографа) .......... 337 3.3.9 Запись на фототермопластические носители .......... 339 3.4 Голографические методы исследований в биологии и медицине ................................................. 343 3.4.1 Голографическая запись анатомических препаратов позвонков с проявлением поясничного остеохондроза и коррозийных препаратов кровеносных сосудов печени человека ............... 352 3.4.2 Способы формирования комбинированных изображений [274-283] ............................. 356 3.5 Результаты и выводы ...................................... 369 Литература .................................................... 377 ГЛАВА 4. СПЕКЛ-ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДОЛЬНОГО СМЕЩЕНИЯ, КОЛЕБАНИЙ, ДЕФОРМАЦИЙ, СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ СО СЛОЖНОЙ ДИФФУЗНО РАССЕИВАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ: КОЖНЫЙ ПОКРОВ И МЫШЕЧНАЯ ТКАНЬ .................. 431 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДИНАМИЧЕСКИХ СПЕКЛ-ПОЛЕЙ В МЕДИЦИНЕ ........................................ 431 4.1 Корреляционные и спектральные свойства динамического спекл-поля, формируемого вращающимся диффузором .......... 441 4.2 Использование спектральных характеристик флуктуации интенсивности динамического спекл-поля для определения продольного смещения объекта ............................. 447 4.3 Статические свойства динамического спекл-поля, рассеянного диффузором, колеблющимся в продольном направлении .............................................. 454 4.4 Использование спектра флуктуации интенсивности динамических спеклов для определения амплитуды колеблющегося в продольном направлении объекта ........... 460 4.5 Корреляция спекл-полей, формируемых диффузным объектом, движущимся вдоль оптической оси .......................... 4бЗ 4.6 Экспериментальное исследование движения субъективных спекл-полей при продольном перемещении диффузного объекта .................................................. 466 4.7 Способы определения деформаций диффузных объектов ........ 469 4.8 Способ измерения вектора скорости движения диффузных объектов ................................................. 471 4.9 О формировании кольцевых спекл-интерферограмм, возникающих при продольном сдвиге ........................ 474 4.10 Результаты и выводы ...................................... 480 Литература .................................................... 482 ГЛАВА 5. ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКЛОМЕТР, СПЕКЛ-ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И ЛАЗЕРНАЯ ГЕМОТЕРАПИЯ В ЛЕЧЕНИИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ............................................... 497 БИОСПЕКЛЫ И ИХ РОЛЬ В СОЗДАНИИ СОВРЕМЕННЫХ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫХ ......................................................... 497 СПЕКЛ-ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ДИАГНОСТИКИ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ И ПОВЕРХНОСТНОГО КРОВОТОКА 5.1 Исследование скорости мышечного сокращения методом счета спеклов ............................................ 510 5.2 Исследование деформаций эпителиальных тканей методом спекл-фотографии ......................................... 513 5.3 Лазерный спеклометр (микрогематомиограф) [82-84, 118- 137, 233, 234, 239] ...................................... 517 5.4 Теоретическое исследование биомеханических характеристик скелетных мышц и определение путей оптимизации оптической схемы лазерного спеклометра ....... 526 5.5 Исследование по оптимизации параметров измерительного тракта лазерного спеклометра ............................. 532 5.5.1 Измерение амплитуды и частоты вибрации диффузора с помощью лазерного спеклометра. Сопоставительный анализ результатов лазерной анемометрии и спекл-оптической диагностики вибрационной активности технических изделий ....... 535 5.5.2 Исследование амплитуды продольной компоненты вибрации микроинструмента ультразвуковой сварочной системы ................................. 541 5.6 Методика получения первичной информации с помощью лазерного спеклометра .................................... 544 5.7 Исследование спектров флуктуации интенсивности динамических спекл-полей скелетных мышц здоровых людей, полученных с помощью лазерного спеклометра и спектр- анализатора .............................................. 546 5.8 Разработка диагностических спекл-оптических критериев оценки кожной микрогемодинамики .......................... 557 5.9 Исследование микрогемодинамики кожных покровов человека методом спекл-оптики и получение микрогемодинамических карт ..................................................... 563 5.10 Исследование биомеханических параметров скелетных мышц у пациентов с заболеваниями периферической нервной системы .................................................. 568 5.11 Экспериментальное и клиническое исследование кожной микрогемодинамики спекл-оптическим методом после нейрорафии периферических нервов в условиях внутривенного лазерного облучения крови (ВЛОК) у пациентов с компрессионно-ишемическими нейропатиями и неврологическими проявлениями поясничного остеохондроза ............................................ 572 5.12 Спекл-оптическая диагностика мышечной активности и микрогемодинамики кожных покровов у пациентов с заболеваниями периферической нервной системы ............. 577 5.13 Анализ спектральных характеристик излучения, рассеянного кожными покровами человека, и разработка бесконтактного неинвазивного оптического метода изучения кровотока [58-60, 271-275] ...................... 590 5.13.1 Измерение спектральных коэффициентов отражения кожных покровов человека .......................... 591 5.13.2 Спектры поглощения препарата крови при различной концентрации оксигемоглобина ...................... 592 5.13.3 Измерение спектральных коэффициентов отражения кожных покровов человека in vivo при различном функциональном состоянии .......................... 594 5.14 Исследование спектральных свойств излучения, рассеянного препаратами крови и кожными покровами человека и животных при ВЛОК ............................. 597 5.14.1 Изучение влияния ВЛОК на спектральные свойства излучения, рассеянного препаратами крови животных, с помощью трехдлинноволнового спектрофотометрического метода .................... 598 5.14.2 Исследование влияния ВЛОК на спектры поглощения препаратов крови животных с травматическим повреждением периферических нервов при использовании излучения гелий-неонового лазера .... 602 5.14.3 Исследование спектральных свойств излучения, рассеянного препаратами крови животных, при частичной ишемии седалищного нерва до и после БЛОК с помощью полупроводникового лазера .......... 605 5.15 Результаты и выводы ...................................... 608 Литература .................................................... 619 ПОСЛЕСЛОВИЕ ................................................... 668