В данном докладе рассматриваются некоторые применения интерферометрического метода регистрации рассеянного лазерного излучения для исследования биологических объектов, которые можно условно разделить на две группы: измерения колебаний поверхности и измерения колебаний ансамбля частиц.

Из первой группы представлены такие исследования как:

• оптическая виброкардиография;
• неконтактное измерение смещения поверхности нерва во время потенциала действия.

  Из второй:

• измерение среднего размера планктона в морской воде.

  Также в докладе рассмотрены планируемые эксперименты по определению нано-микроперемещений биологических объектов.

  В работах посвященных оптической виброкардиографии авторы представили оптический неконтактный метод для наблюдения за сердечной деятельностью, основанный на измерении движений грудной клетки и колебаний поверхности кожи над сонной артерией посредством лазерной доплеровской интерферометрии. В этих целях были использованы стандартные лазерные доплеровские виброметры.

  В ходе эксперимента, параллельно была проведена регистрация сигнала ЭКГ и измерение скорости вибрации грудной клетки у 10 человек. Временной ряд строился от последовательных зубцов R (на ЭКГ) и виброкардиографические интервалы сопоставлялись с частотой сердечных сокращений.

  Оптическая виброкардиография может найти применение во многих областях медицины, в которых использование стандартных методов, например ЭКГ, невозможно или же ограничено, например электромагнитными помехами. Методика может быть применена также в тех случаях, когда нежелателен контакт с кожей пациента, в частности при обширных ожогах.

  Возможно, одним из наиболее перспективных направлений применения интерферометрической регистрации рассеянного излучения является измерение колебаний нервных волокон. Для измерения смещений нерва необходима система, способная измерять нанометровые сдвиги поверхностей со слабой отражательной способностью. В данной работе
  авторами описан новый двулучевой гетеродинный низкокогерентный интерферометр и его применение для оптического измерения эффекта расширения в нервном пучке лобстера. Данный феномен расширения состоит в том, что нервные волокна обнаруживают быстрые поверхностные поперечные смещения поверхности во время биоэлектрического потенциала. Были измерены смещения нервных волокон с амплитудой 5 нм и продолжительностью 10 мс без усреднения сигнала.

  Для проведения эксперимента был использован нерв ходящей ноги Американского лобстера (Homarus americanus), рассеченный и помещенный в акриловую камеру. Сложный биоэлектрический потенциал генерировался импульсом тока от стимулирующих электродов и детектировался на другом конце усилителем с усилением 10⁴. Смещения наблюдались в приблизительно половине нервных препаратах и различались в амплитуде от 0 до 8 нм для возбуждения 5-мА продолжительностью 1-мс.

  Во многих случаях необходимо исследование статических и динамических характеристик ансамблей микрочастиц. В данной работе описан метод для быстрого и простого измерения размера маленьких частиц в суспензиях. Этот метод был применен для определения среднего размера планктона в морской воде и для быстрого определения характеристик движения двух типов фитопланктона, Nannochloropsis oculata и Tetraselmis tetrathele. Nannochloropsis имеют сферическую форму и диаметр около 2,7 микрон, они не могут произвольно двигаться в морской воде. Tetraselmis tetrathele также сферические, их диаметр составляет 7,0 микрон, они могут быстро передвигаться в морской воде благодаря наличию жгутика.

  Камера рассеивания наполнялась морской водой, содержащей один из этих двух видов фитопланктона.

  Данный рисунок демонстрирует зависящую от времени спектральную функцию для Nannochloropsis и Tetraselmis, соответственно. Спектральная функция, наблюдаемая для не передвигающихся самостоятельно Nannochloropsis, сохраняет во времени форму Лоренца, соответствующую броуновскому движению. Наоборот, спектральная функция для передвигающихся самостоятельно Tetraselmis изменяется во времени: частотные компоненты, проистекающие от самостоятельного движения время от времени накладываются на спектр Лоренца, a на рис. b, соответствующий броуновскому движению, образуя выступы с обеих сторон несущей частоты, как обозначено стрелками на рис. b.

  Мы планируем исследования нано-микроколебаний малых биологических объектов in vivo, в частности:

  • измерение колебаний стенок периферические кровеносные сосуды;
  • исследование кровеносной и нервной системы моллюска Physa acuta (Физа заостенная);
  • изучение эмбрионального развития моллюска Physa acuta и амфибии Bombina variegata (Жерлянка желтобрюхая).

  Для проведения исследований нами будет использован гетеродинный приемник рассеянного лазерного излучения. Приемник разработан Институтом полупроводников НАНУ и имеет следующие параметры:

  • Длина волны излучения – 0,63 мкм.
  • Мощность зондирующего излучения – 1мВт.
  • Диаметр фокусного пятна зондирующего излучения на расстоянии 0,5 м – 0,1…0,2 мм.
  • Диаметр приемной апертуры – 10 мм.
  • Энергетическая чувствительность – 5·10^-18Вт/Гц.
  • Ширина полосы пропускания приемного канала – 1…100 КГц.

  Приемник построен по бистатической оптической схеме, т.е. между передающей и приемной оптическими осями есть угол. При этой оптической схеме сигнал образуется рассеянием от “точки” на пересечении этих осей и можно сказать, что для такого приемника существует глубина резкости. Это дает возможность получать сигнал от объектов находящихся внутри мутной среды или за разделительным иллюминатором. Ожидается, что с помощью этого приемника при исследованиях биологических объектов размером 0,2…0,5 мм удастся обнаружить колебания амплитудой около 1 нм в диапазоне частот 10…1000 Гц.

  В качестве одного из биологических объектов исследования планируется использовать моллюска Physa acuta (Физа заостенная). Этот выбор обусловлен следующими причинами: кровеносная и нервная системы моллюска хорошо развиты, но при этом обладают достаточно простой организацией, и поэтому являются удобной моделью для исследований, особенно в условиях максимально приближенных к естественным в реальном режиме времени. Кровеносная система Physa acuta незамкнутая. Сердце состоит из двух отделений: предсердия и желудочка, расположено на спинной стороне тела в перикардиальной полости. Данный вид обладает прозрачной раковиной, что позволит измерять колебания мантии, вызванные сердечной деятельностью моллюска, а также наблюдать за изменениями в сердечной деятельности под воздействием различных факторов. Нервная система сосредоточена главным образом в голове моллюска. В ней расположены три пары главных нервных узлов, которые вместе с соединяющими их поперечными и продольными комиссурами образуют глоточное кольцо. Мы планируем измерения колебаний поверхности нервных пучков Physa acuta.

  Для изучения эмбрионального развития нами выбраны эмбрионы моллюска Physa acuta и амфибии Bombina variegata (Жерлянка желтобрюхая). Эти виды хорошо размножаются в неволе и имеют прозрачную икру, что позволяет «видеть» развитие эмбриона. Исследование динамических характеристик эмбриона в естественных условиях может дать ценную информацию об эмбриогенезе в целом и о влиянии на него различных факторов в частности.

  Что касается медицинских исследований, то мы надеемся использовать возможности лазерного гетеродинного приемника для исследований периферической кровеносной системы человека. Важное диагностическое значение при заболеваниях, связанных с нарушением периферического кровотока может иметь измерение колебаний стенок периферических кровеносных сосудов.

  Возможность проводить измерения без контакта с кожей пациента и при наличии разделительного экрана даст дополнительные преимущества в исследовании функционирования кровеносной системы.

  В заключение следует сказать, что разработка методов измерения нано-микроперемещений биологических объектов in vivo сопряжена с большими трудностями, но мы надеемся сделать первые шаги в этом направлении.

Известный прибор для лечения методом акупунктуры, содержащий блок питания для воздействия на рефлекторные зоны, в качестве которого используется электролюминесцентный диод. Недостатками данного прибора является отсутствие поляризованного излучения, которое снижает терапевтическое воздействие. Кроме того , рассеивающее излучение не обеспечивает необходимую концентрацию (плотность мощности в пятне облучения на поверхности воздействия) для терапевтического воздействия (лучевой, световой) мощности в нужную рефлекторную точку. А её увеличение до необходимого значения приводит к термическому нагреванию поверхности участка кожного покрова в месте облучения.

Наиболее близким по технической характеристике(параметрам) и терапевтическому воздействию является известный прибор для акупунктуры, который содержит блок питания и источник поляризованного электромагнитного излучения, в качестве которого используется газовый лазер (описание к патенту Франции № 258, а 61 Н39/00, 1987). Недостатком известного устройства являются большие габариты, высокое энергопотребление затрудняющие его эксплуатацию вне стационара, возможность генерации излучения лишь одной длины волны, которая не является оптимальной по терапевтическому воздействию и его эффективности в широком наборе возможных и необходимых терапевтических процедур.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эффективности терапевтического воздействия на биологически активные точки поверхности , улучшение эксплуатационных характеристик, снижение потребляемой мощности, обеспечение возможности эксплуатации вне стационара, а также расширение функциональных возможностей.

Указанный результат достигается тем, что устройство для физиотерапевтической акупунктуры содержит блок питания и источник когерентного поляризованного электромагнитного излучения, выполненный в виде двух взаимонезависимых полупроводниковых лазеров с различными длинами волн излучения, размещенных в одном общем корпусе.

Отличительными признаками прибора является выполнение источника поляризованного электромагнитного когерентного излучения в виде двух отдельных полупроводниковых лазеров, генерирующих поляризованное когерентное лазерное излучение на разных длинах волн светового диапазона, конструктивно размещенных в общем корпусе.

Использование в качестве источника когерентного поляризованного излучения полупроводникового лазера позволяет улучшить эксплуатационные характеристики прибора в целом за счет снижения габаритов и веса, потребляемой мощности. Достигается также повышения терапевтического эффекта за счет оптимизации длины волны излучения. На практике обнаружено, что оптимальной для терапевтического облучения является длина волны излучения 0,8 мкм, а серийный лазер ИЛПН – 108 имеет длину волны излучения 0,82 – 0,86 мкм. Кроме того, терапевтический эффект возрастает, если использовать излучение двух длин волн 0,82 мкм и 1,25 мкм. Коротковолновое когерентное лазерное излучение видимого диапазона с длиной волны 0,82 мкм влияет безболезненно на небольшую глубину проникновения в коже пациента, а длинноволновое излучение ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 1,25 мкм проникает на значительно большую глубину биологической ткани .

При лечении ряда заболеваний необходимо обеспечить терапевтическое влияние за счет проникновения в рефлекторных точках на наибольшую глубину проникновения, чем это позволяет обеспечить излучение на длине волны 0,82 – 0,86 мкм. Поскольку предложенный прибор содержит полупроводниковый лазер, работающий на длине волны 1,25-1,55 мкм, то обеспечивается возможность генерации когерентного излучения ближнего инфракрасного диапазона. Кроме увеличения терапевтического воздействия предложенный прибор обеспечивает расширения функциональных возможностей, а именно дает возможность при необходимости влиять только на небольшую глубину или на глубоко расположенные участки биологической ткани , или обеспечивать комбинированное физиотерапевтическое воздействие с помощью функциональных переключателей.

Для обеспечения комбинированного воздействия необходимо, чтобы излучение с обоих лазеров поступало за пределы прибора по одному оптическому пути и было сформирована пятно освещенности когерентным излучением на заданном расстоянии от поверхности излучателя. С помощью традиционной наиболее широко распространенной сферической линзовой оптики это выполнить достаточно сложно, существенно возрастают габариты прибора и потери когерентного лазерного излучения в оптических преобразующих средах.

Для вывода излучения и формирования необходимого светового пятна в точке акупунктуры одновременно с обоих лазеров по одному оптическому пути распространения излучения предлагается использовать один градан, который располагается квазиконтактно вплотную к излучающим кристаллам, Это позволяет снизить световые потери лазерного излучения, уменьшить габариты и вес прибора в целом, упростить и облегчить его эксплуатацию.

Структурная схема излучательного узла представленного прибора показана чертежом, на котором изображен схематически продольный разрез корпуса конструктивного исполнения источника излучения.

Рис.1.

Прибор содержит блок питания, им может быть стандартный прмышленно выпускаемый адаптер, преобразующий переменный электрический ток бытовой электросети в постоянный с напряжением на выходе в пределах 3 – 6 В. В некоторых модификациях используются многозарядные портативные аккумуляторы, либо малогабаритные батарейки электропитания. При этом , блок питания может размещаться как в отдельном корпусе и соединяться электрическим кабелем с источником лазерного поляризованного когерентного излучения, так и в общем едином корпусе.

Источник излучения содержит монтажный корпус (1), на котором закреплены два излучающих кристалла полупроводниковых лазеров (2), один из которых генерирует поляризованное когерентное излучение в дидимом диапазоне на длине волны 0,82 – 0,86 мкм, а другой в ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны 1,25 – 1,55 мкм. Кристаллы закрыты защитным конструктивным кожухом 3 , в котором выполнено отверстие для закрепления градана (4), который служит для вывода излучения обоих лазеров 2. Градан 4 закреплён в квазиконтакте к излучающим кристаллам 2. Прибор снабжен набором функциональных переключателей, обеспечивающих поочередное и одновременное включение лазеров.

Прибор работает следующим образом.

Источник излучения или весь прибор ориентируется так, чтобы излучение попало в необходимую рефлекторную точку на коже пациента и в зависимости от характера осуществляемой процедуры, с помощью функциональных переключателей включают или оба лазера (2) или один из двух для генерации необходимого когерентного излучения. Излучение от лазеров (2) с помощью градана (4) формируется в узкий колимированный пучок и попадает на рефлекторную точку на поверхность кожи в виде пятна излучения. После проведения процедуры электрическое питание лазеров отключается и генерация излучения прекращается.

Предлагаемый прибор имеет малые габариты и вес , низкое энергопотребление , что обеспечивает удобство в эксплуатации и высокую мобильность при эксплуатации в различных условиях. Кроме того, простота конструкции исключает необходимость в квалифицированном персонале для его обслуживания, что позволяет пациенту использовать прибор для проведения лечебных процедур практически самостоятельно в бытовых условиях.