ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ

ЗАДАЧ ЭНДОСКОПИИ

Е.Г.Матинян

Рассматриваются два варианта построения эндоскопов с голографической регистрацией: с расположением регистрирующей среды на дистальном конце эндоскопа и с расположением регистрирующей среды на проксимальном конце.

Оцениваются основные характеристики таких схем: разрешение и поле зрения.

Высказывается предположение, что построение эндоскопов с регистрацией голограмм сфокусированных изображений позволит обойти некоторые трудности, в частности, позволит решить такие задачи, как одновременная регистрация голограмм и наблюдение голографируемого участка, а также позволит снизить требования к механической стабильности устройства.

В последние годы в нашей стране и за рубежом уделяется большое внимание развитию эндоскопической техники. В значительной степени темпы этого развития обусловлены тесным содружеством физиков, техников и медиков. В частности, такое содружество позволило разработать и успешно внедрить в эндоскопию волоконную оптику. Преимуществом таких устройств является возможность проводить более качественную, надежную диагностику и документировать результаты исследований.

Прогресс в современной оптике, связанный с появлением лазеров, развитием принципиально новых методов формирования изображений голографии, коснулся и диагностической эндоскопии.

Посмотрим, что нового сможет дать голография для эндоскопии. Дело в том, что изображение, формируемое на конце эндоскопа фото-

аппаратом, является плоским, объемность отсутствует. В отличие от обычной фотографии, голография, как известно /1-2/ позволяет записать и воспроизвести не двумерное распределение яркости, а саму световую волну, исходящую от предмета, за счет регистрация всей амплитудно-фазовой информации. Это изображение может быть разрешено и измерено с большой точностью.

Совершенно очевидно, насколько важно эндоскописту располагать информацией подобного рода. Отметим только тот факт, что оценка величины патологии достаточно важна для онкологии и позволяет решать многие задачи диагностики, выбирать метод лечения, оценивать и прогнозировать результаты. Высокое разрешение и точность измерения в этом случае наиболее существенны, т.к. установлено /3/, что до критического периода опухоль в своем развитии проходит 40 периодов, причем начальному периоду соответствует диаметр ~ 40 мкм. Современные эндоскопические исследования позволяют зафиксировать минимальный диаметр опухоли ~150 мкм, что соответствует примерно 12 периодам ее существования (или 30% всего времени ее развития).

Возможны два варианта построения голографических эндоскопов: с расположением регистрирующей среды на дистальном и проксимальном концах эндоскопа.

В обоих случаях могут быть использованы схемы голографической регистрации во встречных пучках /4/ а также схемы с наклонным опорным пучком /5/. Однако надо заметить, что с точки зрения таких оптических характеристик, как поле зрения в разрешение, эти схемы не равнозначны.

Известно /2/, что при регистрации голограммы во встречных пучках поле зрения определяется угловыми размерами освещаемой части объекта и расстоянием от торца осветителя до объекта. Поскольку регистрируемый объект диффузно отражающий, то излучение, рассеянное от всех его точек, попадает, практически, во все области плоскости регистрации.

Для того, чтобы большая часть пространственных частот от объекта фиксировалась голограммой, необходимо, чтобы ее угловые размеры совпадали с угловыми размерами объекта. Дальнейшее увеличение размеров голограммы не дает увеличения поля зрения, посколь-

ку опорный пучок в эту зону не попадает. При необходимости обеспечения большего поля зрения можно уменьшить расстояние путем приближения источника к регистрирующей среде. Реально могут быть обеспечены углы 60° и более. Однако надо заметить, что не все пространственные частоты, соответствующие крайним точкам объекта попадают на голограмму. Это обстоятельство в дальнейшем приводит к ухудшению качества восстановленного изображения на краях голограммы.

При регистрации голограммы по схеме с наклонным опорным пучком поле зрения определяется линейными размерами освещаемой части объекта. С приближением голограммы к объекту поле зрения в этом случае не увеличивается. Однако это позволяет улучшить качество восстановленного изображения за счет регистрации дополнительных пространственных частот.

Рассмотрим влияние апертуры голограммы на ее разрешающую способность.

Известно, что максимальная пространственная частота по предмету, которую голограмма преобразует в изображение, определяется соотношением /2/:

Анализ показал, что дистальная регистрация позволяет в полной мере использовать достоинства голографии для задач эндоскопии. В основном это касается разрешающей способности, играющей наибольшую роль в обеспечении качества изображения.

Сравнительное исследование возможных схемных решений показало, что в этом случае наиболее предпочтительной является схема с регистрацией во встречных пучках. Важно также, что при ее реализации происходит автоматическое разделение изучения на опорный и объектный пучки. Это наиболее существенно в настоящее время, поскольку нет данных об отражательных характеристиках живых органов. Кроме того, в этом случае расстояние объект-голограмма может быть сколь угодно малым, а это важно с той точки зрения, что при эндоскопических исследованиях мы ограничены в яркости излучения, отраженного от органов.

Один из вариантов такого эндоскопа реализован в работе /6/. Фотопленка, свернутая кольцом, освещается референтным пучком изнутри. Окружающая фотопленку полость освещается по дополнительному оптическому тракту от того же лазера. Излучение, рассеянное стенками внутренней полости, интерферирует с опорным пучком на пленке. Регистрация в этом случае дистальная и нет возможности вести одновременно с регистрацией наблюдение. В качестве источника излучения использовался одномодовый рубиновый лазер в режиме свободной генерации с мощностью излучения ~ 0,2 Дж.

Использование схемы голографии сфокусированных изображений позволяет осуществить голографическую регистрации объектов, смещающихся во время экспозиции при использовании непрерывного лазерного излучения. Достигается это путем реализации схемы с использованием в качестве опорной волны части излучения, отраженного от объекта.

Рассеянное объектом излучение лазера с помощью светоделителя разбивается на два пучка, один из которых формирует с помощью линзы резкое изображение объекта в плоскости фотопластинки, а второй - отражается от зеркала и направляется на фотопластинку

под углом 30° к ней так, что фотопластинка оказывается в зоне квазиоднородного распределения интенсивности излучения объектом, а также при больших расстояниях от объекта до плоскости регистрации голограммы в опорном пучке можно использовать сферическое зеркало, либо "уплотнение" пучка производить с помощью длиннофокусной линзы.

В такой схеме обеспечивается компенсация разности фаз объектной и опорной волн, возникающей при смещении объекта, что позволяет сохранить высокий контраст интерференционной картина /7/.

Исследования, проведенные ранее, показали /8/ что схема регистрации голограмм сфокусированных изображений с опорным пучком, рассеянным объектом, не чувствительна к различного рода смещениям вплоть до величины порядка 100 мкм, в то время как регистрация голограмм по схеме с наклонным опорным пучком допускает смещение не более 0,1 мкм.

Схема голограмм сфокусированных изображений представляет интерес и с той точки зрения, что она допускает восстановление изображения в полихроматическом свете, а также не представляет особых требований к модовому составу излучения /9/, что весьма важно при использовании импульсных лазеров, т.к. обеспечение одномодового режима в этом случае требует значительных технических усилий и связано с весьма большими потерями мощности излучения.

В настоящее время нам представляется возможным вести исследования по создании голографического эндоскопа не только в направлении реализации схемы во встречных пучках, но и в направлении использования двухлучевой схемы с наклонным опорным пучком. На рис.1 приведена возможная схема голографической регистрации сфокусированных изображений диффузно отражавших объектов, позволяющая совмещать регистрации и наблюдение голографируемых участков.

Рис.1. Схема голографического эндоскопа с регистрацией сфокусированных изображений.

З-зеркало, Л-линза, ПЗ-полупрозрачное зеркало.

Все рассмотренные нами схемы предусматривали дисталъную регистрацию. Однако можно выполнить условия и для проксимальной регистрации. Для проксимальной регистрации необходимо осуществить выход излучения, отраженного от того или иного органа. Казалось бы, что это можно осуществить с помощью волоконных каналов. Однако, как известно /10/, при прохождении лазерного излучения через волоконные системы происходит искажение амплитудно-фазовой информации, обусловленное многократным отражением излyчeния от

стенок отдельных световедущих жил, что не позволяет произвести голографическую запись.

Получение голографических изображений в натуральных цветах представит большой интерес для эндоскопии, т.к, позволит наблюдателю воспроизвести оптические копии объектов /14/. Помимо физиологического аспекта восприятия цвета, определяемого особенностями зрительного аппарата человека, цвет связан со спектральным составом отраженного света, который наряду с объемностью изображения может нести дополнительную информацию с той или иной патологии.

2. Р.Кольер и др. Оптическая голография, перевод с англ. под ред. Ю.И.Островского, изд."Мир", М., 1973.

3. М.К.Немировский, Новости медицинского приборостроения, вып.1, 96, 1973

4. Ю.И.Денисюк, ДАН СССР, 144, 1275, 1962.

6. Ш.Д.Какичаишвили и др. Тезисы Второй Всесоюзной конференции по голографии, Киев, 4-1, 109, 1975.

8. И.С.Клименко, Е.Г.Матинян. В сб. "Совереыенные проблемы прикладной голографии", МДНТП, стр.33, 1974.

15. Н.Г.Кувшинский и др. Фототермопластический способ регистрации голограмм., в сб."Проблемы голографии", вып.3, 161, 1973.