Квазибездифракционный световой пучок в диагностике глаукомы

Новые технологии
Краморева Л.И., Магонова С.А., Рожко Ю.И.
ГГМУ,
РНПЦ радиационной медицины и экологии человека, Минск
Квазибездифракционный
световой пучок в
диагностике глаукомы
 ВВЕДЕНИЕ
Сегодня научно-технический прогресс становится главным средством достижения лидерства, важнейшим инструментом в конкурентной борьбе, приносит значительный коммерческий успех.
Перспективы технологической перестройки заложены в основу
Государственной программы инновационного развития Республики
Беларусь на 2007-2010 гг. Наше государство всегда понимало ту роль,
которую играет наука, и постоянно искало оптимальные формы взаимодействия всех, кто, с одной стороны, занят созданием, а с другой –
внедрением научных разработок.
Деятельность Гомельского государственного медицинского университета направлена на получение новых знаний о строении и функционировании организма человека в норме и при патологических состояниях, а также на разработку и внедрение в практику здравоохранения
высокоэффективных лечебно–диагностических технологий и оздоровительных программ.
Основная тенденция медицинской диагностики состоит в потребности усовершенствования уже имеющихся диагностических приборов,
а также в разработке новых методов исследования, основанных на современных достижениях физики, физической химии. Таким образом, на
современном этапе происходит процесс очень тесного взаимодействия
физических наук и медицины, когда медиками на вооружение приняты
различные методы: оптические, радиоспектроскопические, математическое моделирование, методы обработки информации и т.д. Особого
внимания заслуживает изучение такого заболевания, как глаукома.
В мире распространенность глаукомы составляет около 2-5%. Однако на основании целого ряда работ (проведенных в Западной Европе, США, Японии и Австралии) исследователями было доказано, что, по
меньшей мере, 50% случаев заболевания остаются не выявленными, а
в одном из пяти вновь выявленных случаев обнаруживаются уже развитые стадии заболевания. Очевидно, что поскольку мы выявляем только
половину случаев распространенного и тяжелого заболевания, способ«Офтальмология в Беларуси» № 1 (01), 2009
115
В истекшем году
произошло важнейшее
и уникальное для
нашей страны событие
– Первый съезд ученых
Республики Беларусь.
Это мероприятие не
могло не отразиться
на всех аспектах
научной и научно–
организационной
деятельности как в
государстве в целом,
так и непосредственно
в Гомельской области.
Квазибездифракционный световой пучок в диагностике глаукомы
Новейшие
технологии в ОКТ
позволяют получать
3-D изображения
с улучшенными
характеристиками
разрешения. Это
достигается с
помощью применения
методов спектральной
интерферометрии
[3]. Однако техника
формирования такого
изображения является
достаточно сложной и
дорогостоящей.
ного привести к инвалидности, то требуются новые подходы к выявлению глаукомы. Трудность в диагностике вызывают непрозрачные оптические среды глаза. Доля таких пациентов в нозологической структуре
возросла за последнее десятилетие с 7 до 12% [1, 2]. В этой связи проведение целенаправленного скрининга на глаукому среди этой группы
кажется наиболее клинически и экономически целесообразным. У данной группы пациентов, кроме рутинного обследования, предпочтение
отдается оптической когерентной томографии (ОКТ) – методу светооптической визуализации микроструктуры биологических тканей in vivo.
 ЦЕЛЬ
Создание более доступных источников частично–когерентного излучения, менее трудоемкой системы регистрации и обработки сигналов
в ОКТ, усовершенствование самой оптической системы, которая способна улучшить продольно–поперечное разрешение прибора является
актуальной задачей. Представляется перспективным использование
квазибездифракционных конических пучков.
Необходимо отметить, интерес к классу конических световых пучков
с точки зрения прикладной физики связан, прежде всего, с наличием
большой фокальной длины пучка, что позволяет увеличить продольное
разрешение оптических систем. Наиболее известным представителем
такого рода интерференционных полей является бесселев световой пучок (БСП) [4, 5].
 МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Исследования активно
проводятся не только
в ведущих зарубежных
лабораториях, но и в
наших отечественных,
результаты которых
могут найти свое
воплощение
в стандартных
промышленных
приборах
отечественного
производства.
Существует множество различных способов формирования БСП:
использование конической линзы – аксикона, Фурье-преобразование
кольцевой апертуры, отражающей конической поверхности – рефлаксикона, голографических пространственных фильтров, т.д. В связи с тем,
что голографические методы генерации БСП являются довольно трудоемкими и дорогостоящими, а использование дифракционных элементов – энергетически невыгодным, предпочтение отдается рефрактивным аксиконам. В отличие от линзы, аксикон фокусирует падающий на
него свет в линию, длину этой линии называют фокальной длиной пучка
или глубиной фокуса. Однако существование сильных осцилляций осевой интенсивности пучка после аксикона в пределах фокальной длины
приводит к ухудшению продольно–поперечного разрешения оптических систем с использованием БСП [6].
Совместными усилиями физиков и медиков–офтальмологов РБ разработана полезная модель «Установка для формирования квазибездифракционного светового пучка», патент № 5229, которая представляет собой новый подход к решению проблемы улучшения продольнопоперечного разрешения системы ОКТ в условиях значительного светорассеяния. Использование дополнительных оптических элементов
(аксикона, линзы с сильной сферической аберрацией) в измерительном
плече оптической схемы ОКТ, позволяет сформировать конический световой пучок с большой фокальной длиной (несколько десятков метров),
который по своей способности прохождения светорассеивающих сред
с минимальными искажениями структуры превосходит известный БСП
(рис.1).
116
Новые технологии
а)
б)
Рисунок 1
а) Оптическая схема экспериментальной установки: 1 – лазер, 2 – коллиматор, 3 –аксикон,
4 – линза с сильной сферической аберрацией, 5 – собирающая длиннофокусная линза, 6 –
регистрирующее устройство;
б) Радиальное распределение интенсивности конического пучка
 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Предложенная авторами оптическая система позволяет сгладить
осцилляции осевой интенсивности на протяжении всей фокальной
длины пучка, что улучшает способность прохождения конических пучков через рассеивающие среды. Рис. 2. демонстрирует преимущество
использования конических пучков (в сравнении с гауссовыми пучками)
при зондировании светорассеивающих сред. В качестве рассеивающей
среды был использован биологический материал. Регистрация распределения интенсивности проводилась на расстоянии 15 см от кюветы.
а)
б)
Рисунок 2
Зависимость интенсивности I от радиальной координаты ρ пучка до (кривая 1) и после (кривая 2)
прохождения через рассеивающую среду: (а) гауссов пучок, (б) конический пучок
«Офтальмология в Беларуси» № 1 (01), 2009
117
Квазибездифракционный световой пучок в диагностике глаукомы
 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, использование оптических элементов с сильной
сферической аберрацией в классической схеме с аксиконом позволяет
значительно увеличить фокальную длину пучка, сгладить осевые осцилляции интенсивности в пределах фокальной длины, сформировать
пучок с заданным числом колец. Использование конических пучков с
большим продольно–поперечным разрешением, практически стабильным значением осевой интенсивности и минимальным уровнем искажений поперечной структуры при зондировании светорассеивающих
сред позволит значительно улучшить качество визуализации не только
систем оптической диагностики, но систем дистанционного зондирования удаленных объектов.
Принимая во внимание высокий уровень внедрения научных разработок в РБ, высока вероятность скорого появления нового прибора в
офтальмологии для визуализации структур зрительного нерва и сетчатки при непрозрачных оптических средах.
 ЛИТЕРАТУРА
1. Belyi V., Kazak N., Khilo N., Kramoreva L., Mashchenko A. Ifluence of scattering media on regular
structure and speckle of quasi-nondiffractive Bessel light beams // IC Speckle06: Proc. of SPIE,
Edited by P. Slangen, Ch. Cerruti. – Vol.6341. – 2006. – Р. 63412O–1–6341O–6.
2. Burval A. Axiconn Imaging by scalar Diffraction theory // Royal institute of technology,
Department of Microelectronics and Information Technology, Optics Section, Stockholm,
Electrum299, SE–164 40 Kista. – 2004. – 68 p.
3. Ding Z., Ren H., Zhao Y., Stuart Nelsoon J., Chen Z. High–resolution optical coherence tomography
over a large depth range with an axicon lens // Opt. Letters – Vol.27. – №4. – 2002. – Р. 243-245.
4. Fisher Y.L. OCT capabilities advance with introduction of 3–D reconstruction // Retina today. –
May-June. – 2008. – Р. 71-73.
5. Tuck M.W., Crick R.P. Screening for glaucoma. Why is disease underdetected. – 1997. – 101 p.
6. World Health Organization. The world health report 2007. Geneva: WHO, 2007.
118