RU2703495C1 - Digital holographic and spectral images recording device for microobjects - Google Patents
Digital holographic and spectral images recording device for microobjects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2703495C1 RU2703495C1 RU2019101201A RU2019101201A RU2703495C1 RU 2703495 C1 RU2703495 C1 RU 2703495C1 RU 2019101201 A RU2019101201 A RU 2019101201A RU 2019101201 A RU2019101201 A RU 2019101201A RU 2703495 C1 RU2703495 C1 RU 2703495C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- mirror
- angle
- central axis
- plane
- Prior art date
Links
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 title claims description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000011160 research Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 abstract description 20
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 17
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 11
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 9
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 4
- 210000003710 cerebral cortex Anatomy 0.000 description 4
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 241000699666 Mus <mouse, genus> Species 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 2-(furan-2-yl)-7-methyl-1h-1,8-naphthyridin-4-one Chemical compound N=1C2=NC(C)=CC=C2C(O)=CC=1C1=CC=CO1 INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N Melanin Chemical compound O=C1C(=O)C(C2=CNC3=C(C(C(=O)C4=C32)=O)C)=C2C4=CNC2=C1C XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 description 2
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 2
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 2
- 108010002255 deoxyhemoglobin Proteins 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 1
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 1
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 241000699670 Mus sp. Species 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 1
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000036770 blood supply Effects 0.000 description 1
- 210000001715 carotid artery Anatomy 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 1
- 238000002695 general anesthesia Methods 0.000 description 1
- 210000003128 head Anatomy 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 230000007954 hypoxia Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 210000004400 mucous membrane Anatomy 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02041—Interferometers characterised by particular imaging or detection techniques
- G01B9/02047—Interferometers characterised by particular imaging or detection techniques using digital holographic imaging, e.g. lensless phase imaging without hologram in the reference path
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/021—Interferometers using holographic techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
- G01N21/453—Holographic interferometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
- G03H1/0443—Digital holography, i.e. recording holograms with digital recording means
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицинского приборостроения, а именно в неинвазивной оценке функционального состояния поверхностных сосудов и уровня оксигенации участка биологической ткани оптическими методами.The invention relates to the field of medical instrumentation, namely in a non-invasive assessment of the functional state of superficial vessels and the level of oxygenation of a portion of biological tissue by optical methods.
Известно устройство для измерения медико-биологических параметров кожи и слизистых оболочек in vivo (см. патент РФ №2337608 по кл. МПК А61В5/00, опуб. 10.11.2008), содержащее блок источников первичного оптического излучения с разными длинами волн излучения, систему транспортировки первичного и вторичного излучения к биологической ткани и обратно, выполненную в виде жгута оптических волокон с разветвленной приборной и единой рабочей частью, оптико-электронную систему регистрации вторичного оптического излучения, содержащую фотоприемники с оптическими фильтрами, полихроматор с дифракционной решеткой и устройство сбора и трансляции данных в блок обработки результатов диагностики. Устройство позволяет определять содержание в крови фракции оксигемоглобина, а также наличие в тканях липофусцина, меланина, общее объемное кровенаполнение тканей.A device is known for measuring the biomedical parameters of the skin and mucous membranes in vivo (see RF patent No. 2337608, class IPC А61В5 / 00, publ. 10.11.2008), containing a block of primary optical radiation sources with different radiation wavelengths, a transportation system primary and secondary radiation to and from biological tissue, made in the form of a bundle of optical fibers with a branched instrument and a single working part, an optoelectronic system for recording secondary optical radiation containing photodetectors with optical and filters polychromator grating device and collection and transmission of data to the processing unit diagnostic results. The device allows to determine the content of oxyhemoglobin fraction in the blood, as well as the presence of lipofuscin, melanin in the tissues, and the total volumetric blood supply to the tissues.
Недостатком данного аналога является локализованный и интегральный характер измерений функционального состояния сосудов и уровня оксигенации участка биологической ткани, что делает трудоемким процесс измерения сравнительно больших поверхностей и требует наличия системы сканирования. Кроме этого, работа с прибором требует особой осторожности из-за наличия волоконного зонда, который может быть поврежден, например, перегибом или деформацией торца волокна, что приведет к полной потере работоспособности прибора.The disadvantage of this analogue is the localized and integral nature of the measurements of the functional state of blood vessels and the level of oxygenation of a portion of biological tissue, which makes the process of measuring relatively large surfaces time-consuming and requires a scanning system. In addition, working with the device requires special care because of the presence of a fiber probe, which can be damaged, for example, by bending or deformation of the fiber end, which will lead to a complete loss of operability of the device.
Известно также устройство для получения распределения показателя кровотока и уровня оксигенации по широкому полю зрения без сканирования [Reif R. et al. Monitoring hypoxia induced changes in cochlear blood flow and hemoglobin concentration using a combined dual-wavelength laser speckle contrast imaging and Doppler optical microangiography system //PloS one. – 2012. – Т. 7. – №. 12. – С. e52041], содержащее два светодиодных лазера, зеркало, два дихроичных зеркала, два матричных фотоприёмника, подключённых к компьютеру для синхронной работы.A device is also known for obtaining a distribution of blood flow index and oxygenation level over a wide field of view without scanning [Reif R. et al. Monitoring hypoxia induced changes in cochlear blood flow and hemoglobin concentration using a combined dual-wavelength laser speckle contrast imaging and Doppler optical microangiography system // PloS one. - 2012. - T. 7. - No. 12. - S. e52041], containing two LED lasers, a mirror, two dichroic mirrors, two matrix photodetectors connected to a computer for synchronous operation.
Лазерные пучки двух диодов с помощью зеркала и дихроичного зеркала сводятся соосно, расширяются посредством двух линз и одновременно направляются на объект исследования. Фотообъектив формирует изображение объекта. Дихроичное зеркало делит изображение объекта на две спектральные компоненты и направляет их на два матричных фотоприемника. The laser beams of two diodes with the help of a mirror and a dichroic mirror are reduced coaxially, expanded by means of two lenses and simultaneously directed to the object of study. A photo lens forms an image of an object. A dichroic mirror divides the image of an object into two spectral components and directs them to two matrix photodetectors.
К недостаткам данного прибора стоит отнести существенную дороговизну изделия из-за наличия двух матричных фотоприемников и двух дихроичных зеркал. Кроме этого, использование источников излучения с высокой степенью когерентности существенно снижает пространственное разрешение системы при расчете уровня оксигенации.The disadvantages of this device include the significant high cost of the product due to the presence of two matrix photodetectors and two dichroic mirrors. In addition, the use of radiation sources with a high degree of coherence significantly reduces the spatial resolution of the system when calculating the level of oxygenation.
Наиболее близким к заявляемому является устройство регистрации цифровых голографических и спектральных изображений микрообъектов (см. патент РФ № 2574791 по кл. МПК G02B27/22, опуб. 10.02.2016), содержащее оптически связанные и расположенные последовательно по центральной оси источник светового излучения, коллиматор, светоделительный элемент, референтный канал с первым зеркалом, а также объектный канал для формирования отражённого объектного пучка, имеющий микрообъектив и плоскость для объекта исследований. В приемном канале установлен акустооптический монохроматор изображений; в референтный канал помещен подвижный двухпозиционный элемент, выполненный с возможностью в первом положении блокировать свет в канале с помощью оптического поглотителя, а во втором - ослабляющий свет в канале с помощью сменного нейтрального светофильтра; причем элементы референтного канала - микрообъектив и зеркало - выполнены как единое целое в виде подвижного модуля и имеют единый механизм осевого перемещения.Closest to the claimed is a device for recording digital holographic and spectral images of microobjects (see RF patent No. 2574791 according to class IPC G02B27 / 22, publ. 02/10/2016), containing a light source optically coupled and arranged sequentially along the central axis, a collimator, a beam splitting element, a reference channel with a first mirror, and also an object channel for forming a reflected object beam having a micro lens and a plane for the object of research. An acousto-optical image monochromator is installed in the receiving channel; a movable two-position element is placed in the reference channel, made with the possibility in the first position to block the light in the channel using an optical absorber, and in the second - attenuating light in the channel using a replaceable neutral filter; moreover, the elements of the reference channel — the micro lens and the mirror — are made as a single unit in the form of a movable module and have a single axial movement mechanism.
К недостаткам данного технического решения следует отнести существенную дороговизну прибора из-за присутствия перестраиваемого акустооптического монохроматора, медлительность работы из-за необходимости механической блокировки пучка в референтном канале для получения спектральных изображений объекта. Кроме того, необходима калибровка прибора на нулевую разность хода и постоянный контроль положения опорного плеча, что делает настройку и работу с прибором трудоемкими. Наряду с этим, не продемонстрирована возможность восстановления уровня оксигенации и индекса кровотока по данным, полученным с помощью данного устройства.The disadvantages of this technical solution include the significant high cost of the device due to the presence of a tunable acousto-optic monochromator, the slowness of work due to the need for mechanical blocking of the beam in the reference channel to obtain spectral images of the object. In addition, it is necessary to calibrate the device to zero stroke difference and constantly monitor the position of the support arm, which makes setup and operation with the device time-consuming. Along with this, the possibility of restoring the level of oxygenation and blood flow index according to the data obtained using this device has not been demonstrated.
К общему недостатку вышеперечисленных известных устройств стоит отнести невозможность перефокусировки системы пост-фактум, что делает необходимым точную настройку фокуса перед регистрацией сигнала. Фокусировка особенно важна при использовании объективов с малой глубиной резко-изображаемого пространства.The general disadvantage of the above known devices is the impossibility of refocusing the system post-factum, which makes it necessary to fine-tune the focus before registering the signal. Focusing is especially important when using lenses with shallow depth of field.
Технической проблемой заявляемого изобретения является осуществление неинвазивной оптической диагностики функционального состояния поверхностных сосудов и уровня оксигенации биообъектов in vivo.The technical problem of the claimed invention is the implementation of non-invasive optical diagnostics of the functional state of superficial vessels and the level of oxygenation of biological objects in vivo.
Техническим результатом изобретения является возможность одновременного, неинвазивного измерения индекса кровотока и уровня оксигенации биологической ткани по полному полю с высоким пространственным и временным разрешениями и возможностью численной фокусировки оптической системы после записи изображения оптическими методами.The technical result of the invention is the possibility of simultaneous, non-invasive measurement of the blood flow index and the level of oxygenation of biological tissue over a full field with high spatial and temporal resolutions and the possibility of numerical focusing of the optical system after image recording by optical methods.
Технический результат достигается тем, что устройство регистрации цифровых голографических и спектральных изображений микрообъектов, содержащее оптически связанные и расположенные последовательно по центральной оси источник светового излучения, коллиматор, светоделительный элемент, референтный канал с первым зеркалом, а также объектный канал для формирования отражённого объектного пучка, имеющий микрообъектив и плоскость для объекта исследований, приёмный канал с матричным фотоприёмником, согласно изобретению, дополнительно содержит соединённые между собой блок управления и блок синхронизации, который подключён к источнику светового излучения и матричному фотоприёмнику, референтный канал снабжён дополнительным зеркалом для формирования отражённого референтного пучка, расположенным под углом по отношению к центральной оси, объектный канал снабжён осветительным блоком, подключённым к блоку синхронизации и выполненным в виде светодиодов, осветительный блок расположен между микрообъективом и плоскостью для объекта исследований, между объектным каналом и светоделительным элементом введена апертурная диафрагма, при этом первое зеркало расположено под углом 45о по отношению к центральной оси, а дополнительное зеркало – под углом 45о – α, где α – угол между направлениями отражённых объектного и референтного пучков в приёмном канале.The technical result is achieved by the fact that a device for recording digital holographic and spectral images of microobjects, containing a light source, a collimator, a beam splitter, a reference channel with a first mirror, and an object channel for forming a reflected object beam that has optically coupled and arranged in a central axis a micro lens and a plane for the object of research, a receiving channel with an array photodetector, according to the invention, additionally The control unit and the synchronization unit are connected, which is connected to the light source and the photodetector array, the reference channel is equipped with an additional mirror to form a reflected reference beam, located at an angle with respect to the central axis, the object channel is equipped with a lighting unit connected to the synchronization unit and made in the form of LEDs, the lighting unit is located between the micro-lens and the plane for the object of research, between the object channel and the light todelitelnym element introduced aperture stop, wherein the first mirror is disposed at an angle of 45 with respect to the central axis, an auxiliary mirror and - at an angle of 45 ° - α, where α - angle between the reflected object and reference beams in the receiving channel.
Устройство может содержать два поляризатора, один из которых расположен по центральной оси после светоделительного элемента, а второй – перпендикулярно центральной оси перед матричным фотоприёмником. The device may contain two polarizers, one of which is located on the central axis after the beam splitting element, and the second is perpendicular to the central axis in front of the matrix photodetector.
Источник светового излучения, осветительный блок и приемный канал связаны между собой блоком синхронизации для обеспечения синхронной смены длин волн освещения. В результате получают серию спектральных и голографических изображений, позволяющих оценить функциональное состояние поверхностных сосудов и уровня оксигенации участка объекта исследования.The light source, the lighting unit and the receiving channel are interconnected by a synchronization unit to provide a synchronous change of lighting wavelengths. As a result, a series of spectral and holographic images is obtained, allowing one to evaluate the functional state of the surface vessels and the level of oxygenation of the site of the object of study.
Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 представлена схема устройства регистрации цифровых голографических и спектральных изображений микрообъектов, на фиг. 2 – осветительный блок, на фиг. 3 – временная диаграмма работы устройства, где обозначено «Экспоз. акт» – время экспонирования матричного фотоприемника, «Лазер» – источник светового излучения, «СД1» и «СД2» – красные и зеленые светодиоды в осветительном блоке, на фиг. 4 – картина распределения индекса кровотока до окклюзионной пробы (слева) и после (справа), на фиг. 5 – картина распределения уровня оксигенации участка биологической ткани по полному полю до окклюзионной пробы (слева) и после (справа).The invention is illustrated by illustrations, where in FIG. 1 shows a diagram of a device for recording digital holographic and spectral images of microobjects, FIG. 2 - lighting unit, in FIG. 3 is a timing diagram of the operation of the device, where “Exposure. act ”is the exposure time of the matrix photodetector,“ Laser ”is the light source,“ SD1 ”and“ SD2 ”are the red and green LEDs in the lighting unit, in FIG. 4 is a picture of the distribution of the blood flow index before the occlusion test (left) and after (right), in FIG. 5 is a picture of the distribution of the oxygenation level of a biological tissue site over a full field before an occlusal test (left) and after (right).
На фиг. 1 позициями обозначено:In FIG. 1 positions denote:
1 – источник светового излучения,1 - source of light radiation,
2 – коллиматор,2 - collimator,
3 – светоделительный элемент,3 - beam splitting element,
4 – референтный канал,4 - reference channel,
5 – объектный канал,5 - object channel
6 – приёмный канал,6 - receiving channel
7 – блок управления,7 - control unit,
8 – блок синхронизации,8 is a synchronization unit,
9, 10 – первое и дополнительное зеркала референтного канала 4,9, 10 - the first and additional mirrors of the reference channel 4,
11 – микрообъектив объектного канала 5,11 - a micro lens of the
12 – осветительный блок 12 - lighting unit
13 – апертурная диафрагма,13 - aperture diaphragm,
14 – плоскость для объекта исследований,14 - plane for the object of study,
15 – матричный фотоприёмник приёмного канала 6,15 - matrix photodetector of the
16, 17 – поляризаторы.16, 17 - polarizers.
Устройство содержит расположенные последовательно по центральной оптической оси источник светового излучения 1, коллиматор 2, светоделительный элемент 3, референтный канал 4. Устройство содержит также объектный канал 5 для формирования отражённого объектного пучка, приёмный канал 6 с матричным фотоприёмником 15, блок управления 7, соединённый с блоком синхронизации 8, подключённым к источнику светового излучения 1 и матричному фотоприёмнику 15. Объектный канал 5 содержит микрообъектив 11 и плоскость 14 для объекта исследований. Референтный канал 4 содержит два зеркала: первое 9 расположено под углом 45о по отношению к центральной оси, а дополнительное зеркало – под углом 45о – α, где α – угол между направлениями отражённых объектного и референтного пучков в приёмном канале 6. Объектный канал 5 снабжён осветительным блоком 12, подключённым к блоку синхронизации 8 и расположенным между микрообъективом 11 и плоскостью 14 для объекта исследования. Между объектным каналом 5 и светоделительным элементом 3 введена апертурная диафрагма13. Осветительный блок 12 представляет собой деталь в форме усеченного конуса, выполненную из пластика по технологии 3Д печати. В середине осветительного блока расположено отверстие для крепления микрообъектива, по краям осветительного блока расположены отверстия для крепления светодиодов.The device comprises a light source 1, a
Устройство также может содержать два поляризатора, один из которых 16 расположен перпендикулярно центральной оптической оси в приёмном канале 6 перед матричным фотоприёмником 15, а второй 17 – по центральной оптической оси после светоделительного элемента 3 The device may also contain two polarizers, one of which 16 is located perpendicular to the central optical axis in the
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
От источника светового излучения 1, выполненного в виде светодиодного лазера, посредством коллиматора 2, выполненного в виде линзы, излучение коллимируется и направляется на светоделительный элемент 3, который разделяет падающую на него световую волну на предметный пучок, направленный на объект исследования, расположенный на плоскости 14, и референтный пучок, направленный на зеркала 9 и 10 Апертурная диафрагма 13 помещенная в плоскость выходного зрачка микрообъектива 11 регулирует размер субъективных спеклов. Поляризатор 16 служит для устранения переотражений от внутренних границ в светоделительном элементе 3, а так же прямого отражения от задней поверхности микрообъектива 11. Поляризатор 17 регулирует интенсивность референтного пучка. Микрообъектив 11 формирует изображение объекта в плоскости матричного приёмника 15. From a light source 1 made in the form of an LED laser, by means of a
Комплекс зеркал 9 и 10 имеет возможность смещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы, для достижения желаемого сдвига лазерного пучка относительно оптической оси. Данная конфигурация позволяет избежать расхождения полей в плоскости приёмника 15 при необходимом угле наклона зеркала 10. Осветительный блок 12, состоящий из 11 светодиодов красного цвета свечения и 11 диодов зеленого цвета свечения, крепится на тело микрообъектива 11. Данный осветительный блок позволяет производить измерения оксигенации участка биологической ткани. Осветительный блок 12, матричный фотоприемник 15 и источник светового излучения 1 в виде лазерного диода соединены с блоком синхронизации 8, подключённым к блоку управления 7 для синхронного переключения длин волн освещения.The complex of
В процессе работы устройства триггерные импульсы с матричного фотоприемника 15, (см. позицию "Экспоз. акт" на фиг.3) подаются на блок синхронизации 8, который, в свою очередь, последовательно переключает источник светового излучения 1 (см. «Лазер» фиг.3), а также красные (см. "СД1" фиг. 3) и зеленые (см. "СД2"фиг. 3) светодиоды в осветительным блоке 12 для записи голограммы и спектральных изображений микрообъектов соответственно.In the process of operation of the device, trigger pulses from the
Производится запись внеосевых голограмм, состоящая из коллимации лазерного излучения, деления лазерного пучка на две примерно равные части —референтный пучок и объектный пучок. После отражения эти пучки сводятся в плоскости регистрации матричного фотоприемника 15 под небольшим углом для получения интерференционной картины (голограммы). После регистрации голограммы производится ее фильтрация в области спектра пространственных частот для восстановления комплексной амплитуды отраженной объектом волны (изображение объекта). Знание комплексной амплитуды волны позволяет осуществлять численную фокусировку изображения после его записи путем моделирования распространения волнового фронта вдоль оптической оси системы согласно теории углового спектра [Goodman J. W. Introduction to Fourier optics. – Roberts and Company Publishers, 2005.]. An off-axis hologram is recorded, which consists of the collimation of the laser radiation, the division of the laser beam into two approximately equal parts — the reference beam and the object beam. After reflection, these beams are reduced in the registration plane of the
В результате когерентного сложения отражённых референтного и предметного пучков в плоскости матричного фотоприемника формируются интерференционные полосы с периодом 
где 
Результирующая интерференционная картина или, как ее принято называть, голограмма регистрируется при помощи современной КМОП-матрицы с физическим размером пикселя ρ, причем, 
Интерес представляет последнее слагаемое в формуле 1. Для его сегментации от остальных производится цифровая фильтрация пространственного спектра голограммы. Данная фильтрация возможна только при полном разделении всех трех слагаемых в пространственном спектре голограммы. Вышеуказанное условие достигается путем регулирования диаметра отверстия апертурной диафрагмы и угла наклона между интерферирующими полями.Of interest is the last term in formula 1. For its segmentation from the rest, digital filtering of the spatial spectrum of the hologram is performed. This filtering is possible only if all three terms in the spatial spectrum of the hologram are completely separated. The above condition is achieved by adjusting the diameter of the aperture diaphragm and the angle of inclination between the interfering fields.
После пространственной фильтрации сегментированное слагаемое 
Восстановленное изображение объекта, в силу своей микроструктуры и высокой когерентности излучения, имеет зернистую структуру — спеклы. Анализ временной динамики спекл-структур путем применения известного алгоритма анализа спекл-изображений (Fercher, A. F. Flow visualization by means of single-exposure speckle photography / A. F. Fercher, J. D. Briers // Optics Communications. 1981. Т. 37, №. 5. С. 326-330) позволяет контрастировать кровеносные сосуды от статичных участков ткани. Наличие в структуре объекта движущихся с произвольной скоростью частиц, например эритроцитов в кровяном русле, приводит к локальному изменению рассеивающих свойств объекта во времени, что, в свою очередь, приводит к локальным флуктуациям интенсивности спекл-поля. Если период регистрации изображения много больше периода флуктуаций, то результатом будет снижение контраста или локальное «размытие» спеклов. Спекл-контраст определялся как отношение среднеквадратичного отклонения флуктуаций интенсивности σ к среднему значению этих флуктуаций <I> в некоторой локальной области изображения объекта 
Данное устройство было опробовано на лабораторных животных – белых мышах in vivo. Белая мышь находилась под общим наркозом, ее голова была зафиксирована в специализированном зажиме, часть черепа была трепанирована для непосредственного доступа к коре головного мозга. После трепанации мышь была помещена в плоскость для объекта исследований. Для проверки работоспособности устройства были проведены контрольные замеры индекса кровотока и уровня оксигенации коры головного мозга ( фиг. 4 и фиг. 5 соответственно слева). После окончания контрольной записи была произведена оклюзионная проба – пережатие сонной артерии, что существенно ограничило доступ крови к коре головного мозга. Результаты замеров индекса кровотока и уровня оксигенации коры головного мозга мыши также представлены на фиг. 4 и фиг. 5 соответственно справа.This device has been tested on laboratory animals - white mice in vivo. The white mouse was under general anesthesia, its head was fixed in a specialized clamp, part of the skull was trepanized for direct access to the cerebral cortex. After trepanation, the mouse was placed on a plane for the object of study. To check the operability of the device, control measurements of the blood flow index and the level of oxygenation of the cerebral cortex were carried out (Fig. 4 and Fig. 5, respectively, on the left). After the end of the control recording, an occlusion test was performed - clamping of the carotid artery, which significantly limited the access of blood to the cerebral cortex. The results of measurements of the blood flow index and the level of oxygenation of the cerebral cortex of the mouse are also presented in FIG. 4 and FIG. 5 respectively on the right.
На фиг. 4 отчетливо видно снижение и полное перекрытие кровотока в большом количестве сосудов вокруг центральной вены. Масштаб — 500 мкм. Каждый пиксель изображения кодирует скорость кровотока в относительных единицах. In FIG. Figure 4 clearly shows a decrease and complete blockage of blood flow in a large number of vessels around the central vein. The scale is 500 microns. Each pixel in the image encodes the blood flow velocity in relative units.
На фиг. 5 отчетливо видно падение среднего уровня оксигенации образца, наряду с характерными провалами общей оксигенации в местах залегания кровеносных сосудов (отмечены стрелочками). Масштаб — 500 мкм. Каждый пиксель изображения кодирует изменение общего уровня оксигенации относительного базового значения в относительных единицах.In FIG. Figure 5 clearly shows the drop in the average level of oxygenation of the sample, along with the characteristic dips of general oxygenation in the places where the blood vessels lie (marked by arrows). The scale is 500 microns. Each image pixel encodes a change in the overall oxygenation level of the relative base value in relative units.
Использование светодиодов в красном и зеленом спектральных диапазонах, закрепленных в специальной оправке на микрообъектив, позволяет получать данные об уровне оксигенации. The use of LEDs in the red and green spectral ranges, fixed in a special mandrel on a micro lens, allows you to obtain data on the level of oxygenation.
Простейшим алгоритмом оцени уровня оксигенации является анализ отраженного объектом света на двух длинах волн (см., например, патент WO2016015009). В данном комплексе использовались общедоступные светодиоды диаметром 3 мм, излучающие свет на длинах волн ~635 и ~560 нм соответственно. Изменение концентрации окси- и деокси- гемоглобина рассчитывалось по обще известному закону Бугера — Ламберта — Бера:The simplest algorithm to evaluate the level of oxygenation is to analyze the reflected light at two wavelengths (see, for example, patent WO2016015009). In this complex, publicly available LEDs with a diameter of 3 mm were used, emitting light at wavelengths of ~ 635 and ~ 560 nm, respectively. The change in the concentration of oxy- and deoxy-hemoglobin was calculated according to the well-known Bouger – Lambert – Beer law:
где 
На основании представленных результатов заявляемое устройство позволяет отслеживать функциональное изменение состояния сосудов и уровня оксигенации биооъектов in-vivo без использования сканирующих элементов. Пространственное разрешение системы составляет 20 мкм, временное - 100 Гц, что является высоким показателем для устройств такого рода.Based on the presented results, the claimed device allows you to track the functional change in the state of blood vessels and the level of oxygenation of biological objects in-vivo without the use of scanning elements. The spatial resolution of the system is 20 μm, the temporal resolution is 100 Hz, which is a high indicator for devices of this kind.
Численная фокусировка осуществляется после записи голограммы для коррекции возможной расфокусировки системы из-за механических движений объекта или иных причин.Numerical focusing is carried out after recording a hologram to correct for possible defocusing of the system due to mechanical movements of the object or other reasons.
Claims (2)
1 Устройство регистрации цифровых голографических и спектральных изображений микрообъектов, содержащее оптически связанные и расположенные последовательно по центральной оси источник светового излучения, коллиматор, светоделительный элемент, референтный канал с первым зеркалом, объектный канал для формирования отражённого объектного пучка, имеющий микрообъектив и плоскость для объекта исследований, приёмный канал с матричным фотоприёмником, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит соединённые между собой блок управления и блок синхронизации, подключённый к источнику светового излучения и матричному фотоприёмнику, референтный канал снабжён дополнительным зеркалом для формирования отражённого референтного пучка, расположенным под углом по отношению к центральной оси, объектный канал снабжён осветительным блоком, подключённым к блоку синхронизации и выполненным в виде светодиодов, осветительный блок расположен между микрообъективом и плоскостью для объекта исследований, между объектным каналом и светоделительным элементом введена апертурная диафрагма, при этом первое зеркало расположено под углом 45о по отношению к центральной оси, а дополнительное зеркало – под углом 45о – α, где α – угол между направлениями отражённых объектного и референтного пучков в приёмном канале.
1 A device for recording digital holographic and spectral images of microobjects, which contains a light source, a collimator, a beam splitter, a reference channel with a first mirror, an object channel for generating a reflected object beam, having a micro lens and a plane for the object of study, optically coupled and arranged sequentially along the central axis receiving channel with an array photodetector, characterized in that it further comprises a control unit interconnected I and the synchronization unit connected to the light source and the matrix photodetector, the reference channel is equipped with an additional mirror for forming the reflected reference beam, located at an angle with respect to the central axis, the object channel is equipped with a lighting unit connected to the synchronization unit and made in the form of LEDs, the lighting unit is located between the micro-lens and the plane for the object of research, between the object channel and the beam splitting element an aperture diaphragm is introduced AGMA, wherein the first mirror is disposed at an angle of 45 with respect to the central axis, an auxiliary mirror and - at an angle of 45 ° - α, where α - angle between the reflected object and reference beams in the receiving channel.
2 Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит два поляризатора, один из которых расположен по центральной оси после светоделительного элемента, а второй – перпендикулярно центральной оси перед матричным фотоприёмником.
2 The device according to claim 1, characterized in that it contains two polarizers, one of which is located on the central axis after the beam splitting element, and the second is perpendicular to the central axis in front of the matrix photodetector.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019101201A RU2703495C1 (en) | 2019-01-17 | 2019-01-17 | Digital holographic and spectral images recording device for microobjects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019101201A RU2703495C1 (en) | 2019-01-17 | 2019-01-17 | Digital holographic and spectral images recording device for microobjects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2703495C1 true RU2703495C1 (en) | 2019-10-17 |
Family
ID=68280393
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019101201A RU2703495C1 (en) | 2019-01-17 | 2019-01-17 | Digital holographic and spectral images recording device for microobjects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2703495C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU89690U1 (en) * | 2009-06-16 | 2009-12-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | SMALL HOLOGRAPHIC INTERFEROMETER FOR RESEARCH OF MICRO-OBJECTS |
| RU2574791C2 (en) * | 2014-02-25 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения (НТЦ УП РАН) | Method of obtaining optical three-dimensional and spectral images of microlenses and device therefor |
| US20160305761A1 (en) * | 2013-09-17 | 2016-10-20 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | System and a method for quantitative sample imaging using off-axis interferometry with extended field of view or faster frame rate |
| RU2601729C1 (en) * | 2015-09-18 | 2016-11-10 | Александр Сергеевич Мачихин | Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording |
-
2019
- 2019-01-17 RU RU2019101201A patent/RU2703495C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU89690U1 (en) * | 2009-06-16 | 2009-12-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | SMALL HOLOGRAPHIC INTERFEROMETER FOR RESEARCH OF MICRO-OBJECTS |
| US20160305761A1 (en) * | 2013-09-17 | 2016-10-20 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | System and a method for quantitative sample imaging using off-axis interferometry with extended field of view or faster frame rate |
| RU2574791C2 (en) * | 2014-02-25 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения (НТЦ УП РАН) | Method of obtaining optical three-dimensional and spectral images of microlenses and device therefor |
| RU2601729C1 (en) * | 2015-09-18 | 2016-11-10 | Александр Сергеевич Мачихин | Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Arkady Abdurashitov, Olga Bragina, Olga Sindeeva, Sergey Sindeev, Oxana V. Semyachkina-Glushkovskaya, Valery V. Tuchin, Off-axis holographic laser speckle contrast imaging of blood vessels in tissues, Optics J. of Biomedical, 25.04.2017, https://www.spiedigitallibrary.org/journals/journal-of-biomedical-optics/volume-22/issue-09/091514/Off-axis-holographic-laser-speckle-contrast-imaging-of-blood-vessels/10.1117/1.JBO.22.9.091514.full. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6909207B2 (en) | High resolution 3D spectral region optical imaging device and method | |
| JP6928623B2 (en) | Equipment and methods for confocal microscopy using distributed structured illumination | |
| US7364296B2 (en) | Method and apparatus for improving both lateral and axial resolution in ophthalmoscopy | |
| US6890076B2 (en) | Method and apparatus for using adaptive optics in a scanning laser ophthalmoscope | |
| US7570367B2 (en) | Optical interference apparatus | |
| KR101570668B1 (en) | Optical coherence tomographic apparatus | |
| US11672426B2 (en) | Snapshot photoacoustic photography using an ergodic relay | |
| US8836951B2 (en) | Imaging device for optical coherence tomographic image and imaging method | |
| JP2003533320A (en) | Method and apparatus for measuring refraction error of the eye | |
| JP6469413B2 (en) | Data processing method and OCT apparatus | |
| HUE028034T2 (en) | Ocular imaging for diagnosis of neurodegenerative diseases | |
| CH697225B1 (en) | A process for obtaining tomograms topographs and the eye structure. | |
| JP7414807B2 (en) | Hyperspectral apparatus and method | |
| WO2022057402A1 (en) | High-speed functional fundus three-dimensional detection system based on near-infrared light | |
| EP3627093B1 (en) | Apparatus for parallel fourier domain optical coherence tomography imaging and imaging method using parallel fourier domain optical coherence tomography | |
| JP6431400B2 (en) | Ophthalmic imaging apparatus and ophthalmic apparatus | |
| JP2023518549A (en) | Multimodal retinal imaging platform | |
| RU2703495C1 (en) | Digital holographic and spectral images recording device for microobjects | |
| CN113229777B (en) | Visual quality analyzer | |
| Lompado et al. | Multispectral confocal scanning laser ophthalmoscope for retinal vessel oximetry | |
| CN213309629U (en) | Eyeball imaging device and eyeball blood flow velocity measuring device | |
| WO2014193310A1 (en) | Optical imaging device and method of controlling the same | |
| JP7412170B2 (en) | Ophthalmological equipment, its evaluation method, program, and recording medium | |
| US20220197018A1 (en) | Optical Instrument and Method for Use | |
| WO2023042577A1 (en) | Ophthalmic information processing device, ophthalmic device, ophthalmic information processing method, and program |