Управление оптическими свойствами тканей десны и дентина зуба человека на лазерных линиях в диапазоне 200–800 нм

А. А. Селифонов, В. В. Тучин

  • Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
  • Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского
  • Национальный исследовательский Томский государственный университет
  • Институт проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов
  • Институт биохимии им. А. Н. Баха, Федеральный исследовательский центр РАН «Фундаментальные основы биотехнологии», г. Москва
Аннотация: Экспериментально исследовано изменение оптических параметров ткани десны и дентина зуба человека in vitro при аппликации 99.5%-ного раствора глицерина. Изучена кинетика полного пропускания в спектральном диапазоне 200–800 нм на характерных лазерных линиях. Показано, что эффективности оптического просветления, выраженные в виде увеличения полного пропускания в процентах к исходному, для ткани десны в диапазоне излучения лазеров 200–800 нм могут существенно (на порядок) различаться. При этом абсолютные значения оптического пропускания в УФ области сравнительно невелики из-за сильного поглощения эндогенными хромофорами исследуемых типов тканей, а в видимой и ближней ИК областях – наоборот, значительны, что обусловлено отсутствием сильных поглощающих хромофоров. Эффективность просветления дентина во всей видимой и ближней ИК областях спектра составляет в среднем 25% за 300 мин иммерсии образца в 99.5%-ном растворе глицерина. Представленные результаты необходимы для повышения эффективности лазерной терапии и методов оптического мониторинга морфологических изменений биотканей с целью ранней диагностики заболеваний.
Ключевые слова: десна, дентин, глицерин, оптическое просветление, спектры полного пропускания, эксимерные лазеры, гармоники YAG:Nd-лазера, титан-сапфировый лазер.
Поступила в редакцию: 12.12.2019
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:1, 47–54
Образец цитирования: А. А. Селифонов, В. В. Тучин, “Управление оптическими свойствами тканей десны и дентина зуба человека на лазерных линиях в диапазоне 200–800 нм”, Квантовая электроника, 50:1 (2020), 47–54 [Quantum Electron., 50:1 (2020), 47–54]

Сравнительный анализ методов количественного определения содержания воды в коже по данным спектроскопии диффузного отражения

Б. П. Якимов, Д. А. Давыдов, В. В. Фадеев, Г. С. Будылин, Е. А. Ширшин

  • Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет
  • Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», физический факультет, г, Москва
  • Институт спектроскопии РАН, Москва, г. Троицк
Аннотация: Проведен анализ предикативных свойств методов, оценивающих содержание воды в коже по спектральным характеристикам диффузного отражения вблизи линии поглощения молекул воды в ближнем ИК диапазоне спектра. На основе данных численного моделирования, экспериментальных данных диффузного отражения от фантомов кожи человека и данных из открытой базы спектров отражения кожи человека рассмотрен вопрос о том, можно ли с использованием различных локальных максимумов поглощения воды получить дополнительную информацию о распределении концентрации воды в коже. Исследовано влияние изменений коэффициента рассеяния и концентрации оксигемоглобина на оценки содержания воды.
Ключевые слова: диффузное отражение, линия поглощения молекул воды, ближний ИК диапазон, содержание воды в коже
Поступила в редакцию: 27.11.2019
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:1, 41–46
Образец цитирования: Б. П. Якимов, Д. А. Давыдов, В. В. Фадеев, Г. С. Будылин, Е. А. Ширшин, “Сравнительный анализ методов количественного определения содержания воды в коже по данным спектроскопии диффузного отражения”, Квантовая электроника, 50:1 (2020), 41–46 [Quantum Electron., 50:1 (2020), 41–46]

Лазерная спекл-контрастная визуализация микроциркуляции крови в тканях поджелудочной железы при лапароскопических вмешательствах

Е. В. Потапова, Е. С. Серёгина, В. В. Дрёмин, Д. Д. Ставцев, И. О. Козлов, Е. А. Жеребцов, А. В. Мамошин, Ю. В. Иванов, А. В. Дунаев

  • Научно-технологический центр биомедицинской фотоники Орловского государственного университета им. И.С.Тургенева
  • Optoelectronics and Measurements Techniques, University of Oulu, Finland
  • Орловская областная клиническая больница
  • Центральный научно-исследовательский институт туберкулеза, г. Москва
  • Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий ФМБА, г. Москва
ннотация: Проведена лазерная спекл-контрастная визуализация микроциркуляторного русла поджелудочной железы, которая позволяет получить представление о его состоянии и тем самым является дополнительным ценным инструментом для принятия диагностического решения и осуществления динамического контроля за эффективностью проводимого лечения при патологии органов брюшной полости. Лапароскопические операции на поджелудочной железе являются низкотравматичными и позволяют в большинстве случаев избежать открытых оперативных вмешательств. Впервые представлена экспериментальная система регистрации спекл-изображений, совмещенная с коммерчески доступным пятимиллиметровым ригидным лапароскопом. Определена чувствительность системы к движению жидкости в капилляре с различными скоростями, а также выявлена возможность нахождения областей нарушения микроциркуляции крови при моделировании ишемии поджелудочной железы в эксперименте на лабораторных животных. Проведена верификация осветительного канала лапароскопа путем сравнения со спекл-динамикой при внешнем освещении объекта исследования.
Ключевые слова: лазерная спекл-контрастная визуализация, лапароскопия, поджелудочная железа, ишемия, микроциркуляция крови
Поступила в редакцию: 27.11.2019
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:1, 33–40
Образец цитирования: Е. В. Потапова, Е. С. Серёгина, В. В. Дрёмин, Д. Д. Ставцев, И. О. Козлов, Е. А. Жеребцов, А. В. Мамошин, Ю. В. Иванов, А. В. Дунаев, “Лазерная спекл-контрастная визуализация микроциркуляции крови в тканях поджелудочной железы при лапароскопических вмешательствах”, Квантовая электроника, 50:1 (2020), 33–40 [Quantum Electron., 50:1 (2020), 33–40]

Применение глубоких нейронных сетей для повышения точности диагностики ревматоидного артрита с использованием диффузионной оптической томографии

Янцин Фэн, Д. Лайтер, Лэй Чжан, Ян Ван, Х. Дехани

  • College of Computer Science, Sichuan University, China
  • Imaging Lab of the School of Computer Science, University of Birmingham, UK
Аннотация: Предложен набор моделей глубоких нейронных сетей для классификации ревматоидного артрита (РА) с использованием магистральной сети, сверточной нейронной сети и остаточной сети на основе данных диффузионной оптической томографии (ДОТ) с использованием излучения ближнего ИК диапазона, обеспечивающий раннюю диагностику патофизиологических изменений, вызванных воспалением. Для преодоления проблемы недостаточного количества доступных клинических ДОТ-изображений использована генерация искусственных изображений при помощи числовой модели пальца. Предложенные модели глубоких нейронных сетей были применены для автоматической классификации смоделированных ДОТ-изображений воспаленных и невоспаленных суставов; для повышения эффективности классификации использовано также трансферное обучение. Показано, что все три метода использования глубоких нейронных сетей улучшают диагностическую точность по сравнению с широко применяемым методом опорных векторов, особенно для баз данных с высокой вариабельностью между субъектами. В случаях моделирования тяжелого заболевания остаточная сеть достигала наивысшей точности (свыше 99%), а магистральные и сверточные нейронные сети обеспечивали точность до 99%. Однако, по мере уменьшения тяжести моделируемой болезни, указанная точность для остаточных сетей снижалась до 75.2%. Результаты показывают, что трансферное обучение может улучшить производительность глубоких нейронных сетей при классификации РА по данным ДОТ и усилить их потенциальные возможности в качестве компьютерного инструмента в диагностических системах ДОТ.
Ключевые слова: диффузионная оптическая томография, диагностика ревматоидного артрита, суставы пальцев, глубокие нейронные сети, классификация медицинских изображений.
Поступила в редакцию: 31.10.2019
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:1, 21–32
Образец цитирования: Янцин Фэн, Д. Лайтер, Лэй Чжан, Ян Ван, Х. Дехани, “Применение глубоких нейронных сетей для повышения точности диагностики ревматоидного артрита с использованием диффузионной оптической томографии”, Квантовая электроника, 50:1 (2020), 21–32 [Quantum Electron., 50:1 (2020), 21–32]

Использование измерения пространственных производных в круговой диффузионной оптической томографии для улучшения разрешения и контрастности изображения

Д. Лайтер, С. Цзян, Х. Дехани

  • University of Birmingham, Sci-Phy-4-Health Centre for Doctoral Training, Edgbaston, Birmingham, UK
  • Dartmouth College, Thayer School of Engineering, Hanover, USA
Аннотация: Разрешение изображений, полученных с помощью диффузионной оптической томографии без априорной пространственной информации, по своей природе ограничено из-за диффузионного характера переноса света в биологической ткани с преобладанием рассеяния. В нескольких работах ранее сообщалось об улучшении чувствительности по глубине при измерениях в ближней ИК области с использованием разности сигналов двух соседних детекторов. Представлен ближайший родственный метод – алгоритм на основе пространственной производной, в котором для томографической реконструкции рассматривается разностный сигнал двух соседних пар источник – детектор с общим источником. При круговой геометрии оптода с направлением внутрь показана возможность реконструкции более глубоко расположенных аномалий оксигемоглобина, дезоксигемоглобина и воды с лучшей локализацией и контрастностью по сравнению с результатами при абсолютных измерениях на нескольких длинах волн. При использовании предложенного метода реконструкции параметров на основе пространственной производной продемонстрировано относительное количественное улучшение точности восстановленных физиологических показателей до 25% при лучшем разрешении раковой ткани в гетерогенной модели молочной железы.
Ключевые слова: диффузионная оптическая томография, пространственная производная, круговая геометрия.
Поступила в редакцию: 27.11.2019
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:1, 9–20
Образец цитирования: Д. Лайтер, С. Цзян, Х. Дехани, “Использование измерения пространственных производных в круговой диффузионной оптической томографии для улучшения разрешения и контрастности изображения”, Квантовая электроника, 50:1 (2020), 9–20 [Quantum Electron., 50:1 (2020), 9–20]

Микроскопия с высоким разрешением клеток и тканей в глубине образца

Х. Шнекенбургер, В. Рихтер, М. Геллери, С. Ритц, Р. Ваз Пандольфо, Ф. Шок, Дж. фон Хазе, У. Бирк, С. Кремер

  • Institute of Applied Research, Aalen University, Germany
  • Institute of Molecular Biology, Mainz, Germany
  • Institute of Physiology, University Medical Center of the Johannes Gutenberg University, Mainz, Germany
  • Kirchhoff Institute for Physics, University of Heidelberg
  • Institute of Pharmacy & Molecular Biotechnology, University of Heidelberg, Germany
  • Institute for Photonics and ICT, University of Applied Sciences (FHGR) Chur, Switzerland
Аннотация: Сообщается о методах, экспериментальных установках и перспективах микроскопической трехмерной визуализации в глубине образцов клеток или тканей, приводятся предварительные биофизические, а также клинически значимые примеры.
Ключевые слова: 3D микроскопия, флуоресценция, сверхвысокое разрешение, SIM, световой лист, аксиальная томография, распределенные апертуры.
Поступила в редакцию: 27.11.2019
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:1, 2–8
Образец цитирования: Х. Шнекенбургер, В. Рихтер, М. Геллери, С. Ритц, Р. Ваз Пандольфо, Ф. Шок, Дж. фон Хазе, У. Бирк, С. Кремер, “Микроскопия с высоким разрешением клеток и тканей в глубине образца”, Квантовая электроника, 50:1 (2020), 2–8 [Quantum Electron., 50:1 (2020), 2–8]

Актуальные проблемы биофотоники

А. В. Приезжев, А. Е. Луговцов, М. Ю. Кириллин, В. В. Тучин

Аннотация: Биофотоника возникла на стыке самых инновационных научных дисциплин прошлого столетия – фотоники, био- и нанотехнологий. Эта область научных исследований и разработок объединяет физиков, биологов, химиков, фармацевтов и врачей всех профилей, которые являются так называемыми «конечными пользователями».
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:1, 1
Образец цитирования: А. В. Приезжев, А. Е. Луговцов, М. Ю. Кириллин, В. В. Тучин, “Актуальные проблемы биофотоники”, Квантовая электроника, 50:1 (2020), 1 [Quantum Electron., 50:1 (2020), 1]

Скачать (.pdf)

Многочастотное вынужденное комбинационное рассеяние света в монокристалле кальцита

В. С. Горелик, А. В. Скрабатун, В. А. Орлович, А. И. Водчиц

  • Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, г. Москва
  • Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана
  • Институт физики им. Б. И. Степанова НАНБ, г. Минск
Аннотация: С использованием импульсов многочастотного вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в кальците реализовано возбуждение нелинейной фотолюминесценции в молекулярном кристалле стильбена. При возбуждении многочастотного ВКР излучением YAG : Nd3+-лазера с длиной волны 1064 нм наблюдалось одиннадцать антистоксовых компонент в видимой области спектра со средним частотным сдвигом между ними 1086 см-1. Использование второй гармоники излучения YAG : Nd3+-лазера позволило зарегистрировать три антистоксовые и четыре стоксовые компоненты. Большой спектральный диапазон гребенки частот способствовал эффективному уменьшению длительности и повышению интенсивности импульса излучения многочастотного ВКР.
Ключевые слова: кальцит, вынужденное комбинационное рассеяние, гребенка частот, кристалл, спонтанное комбинационное рассеяние, нелинейная фотолюминесценция, стильбен
Поступила в редакцию: 25.11.2019
Исправленный вариант: 13.02.2020
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:7, 700–706
Образец цитирования: В. С. Горелик, А. В. Скрабатун, В. А. Орлович, А. И. Водчиц, “Многочастотное вынужденное комбинационное рассеяние света в монокристалле кальцита”, Квантовая электроника, 50:7 (2020), 700–706 [Quantum Electron., 50:7 (2020), 700–706]

Фазировка излучения 7-канального оптоволоконного лазера с динамическими турбулентными искажениями фазы с использованием стохастического параллельного градиентного алгоритма при ширине полосы 450 кГц

М. В. Волков, С. Г. Гаранин, Т. И. Козлова, М. И. Коновальцов, А. В. Копалкин, Р. С. Лебедев, Ф. А. Стариков, О. Л. Течко, С. В. Тютин, С. В. Хохлов, В. С. Цыкин

  • ФГУП «Российский федеральный ядерный центр — ВНИИЭФ», Институт лазерно-физических исследований, г. Саров Нижегородской обл.
Аннотация: Создан экспериментальный стенд для когерентной фазировки 7-канальной оптоволоконной лазерной системы (λ = 1064 нм) в схеме «задающий генератор + блок параллельных усилителей» с оптоволоконными модуляторами фазы на основе ниобата лития. Блок аппаратного управления модуляторами фазы с помощью стохастического параллельного градиентного алгоритма обеспечивает ширину полосы системы до 450 кГц. Проведены экспериментальные исследования эффективности фазировки излучения, прошедшего турбулентную среду с характерным временным масштабом τturb, от времени фазировки τph. Показано, что увеличение среднего числа Штреля начинается при τturb/τph ≥ 2, а резкий рост эффективности компенсации динамических фазовых искажений на трассе распространения имеет место при τturb/τph ≈ 20. При τturb/τph ≥ 30–40 среднее число Штреля остается на достигнутом постоянном уровне.
Ключевые слова: фазировка лазерного излучения, оптоволоконный лазер, стохастический параллельный градиентный алгоритм, турбулентность атмосферы.
Поступила в редакцию: 19.11.2019
Исправленный вариант: 15.01.2020
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:7, 694–699
Образец цитирования: М. В. Волков, С. Г. Гаранин, Т. И. Козлова, М. И. Коновальцов, А. В. Копалкин, Р. С. Лебедев, Ф. А. Стариков, О. Л. Течко, С. В. Тютин, С. В. Хохлов, В. С. Цыкин, “Фазировка излучения 7-канального оптоволоконного лазера с динамическими турбулентными искажениями фазы с использованием стохастического параллельного градиентного алгоритма при ширине полосы 450 кГц”, Квантовая электроника, 50:7 (2020), 694–699 [Quantum Electron., 50:7 (2020), 694–699]

Об «ошибочности» скоростного уравнения для плотности фотонов полупроводникового лазера

В. Д. Курносов, К. В. Курносов

  • АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», г. Москва
Аннотация: В опубликованных в журнале «Квантовая электроника» работах [1, 2] утверждается, что скоростное уравнение для плотности фотонов с членом, учитывающим вклад спонтанного излучения в моду, является ошибочным (из рассмотрения необходимо исключить спонтанный член), и критикуются работы [3, 4]. В настоящей статье проведен анализ ранее опубликованных работ и показано, что необходимость учета вклада спонтанного излучения в моду следует из квантово-механического скоростного уравнения для полупроводникового лазера. Анализируются результаты, полученные в статьях [1, 2].
Ключевые слова: скоростные уравнения, плотность фотонов, спонтанное излучение.
Поступила в редакцию: 11.11.2019
Исправленный вариант: 12.02.2020
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2020, 50:7, 688–693
Образец цитирования: В. Д. Курносов, К. В. Курносов, “Об «ошибочности» скоростного уравнения для плотности фотонов полупроводникового лазера”, Квантовая электроника, 50:7 (2020), 688–693 [Quantum Electron., 50:7 (2020), 688–693]