In vitro исследование экстракции катаракты лазерным излучением с λ = 1.54 мкм в виде пакетов микросекундных импульсов

А. В. Беликов, С. Н. Смирнов, Ю. Н. Батов, А. Б. Губин, Ю. Б. Пирожков, Э. В. Бойко, М. Н. Немсицверидзе

  • Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
  • Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова
  • ООО «Нела», г. С.-Петербург
  • Санкт-Петербургский филиал НМИЦ МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова
  • Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова, г. Санкт-Петербург
  • Северо-западный государственный медицинский университет им. И.И.Мечникова, Россия, С.-Петербург
Аннотация: В эксперименте in vitro впервые выполнена лазерная экстракция модели катаракты глаза свиньи излучением с λ = 1.54 мкм лазера на иттербий-эрбиевом стекле, работающего в режиме генерации пакетов микросекундных импульсов. Использованы эффективные частоты следования лазерных импульсов в диапазоне 36–75 Гц и средние мощности лазерного излучения от 3.9 до 5.25 Вт. Впервые продемонстрировано, что при эффективной частоте следования лазерных импульсов 45 Гц, частоте следования пакетов лазерных импульсов 15 Гц, трех микросекундных импульсах в пакете и энергии пакета 260–265 мДж продолжительность лазерного этапа экстракции катаракты составляет 130 ± 10 с, что сопоставимо с временем ультразвуковой факоэмульсификации и лазерной экстракции в случае использования излучения Nd : YAG-лазера с λ = 1.44 мкм. Акустометрия и высокоскоростная видеосъемка гидроакустических процессов, сопровождающих взаимодействие с водой излучения с λ = 1.54 мкм лазера на иттербий-эрбиевом стекле, работающего в режиме генерации пакетов микросекундных импульсов, позволили впервые обнаружить эффекты наложения гидроакустических процессов при сокращении временного интервала между лазерными импульсами в пакете до менее 700 мкс. Установлено, что при наложении гидроакустических процессов, несмотря на повышение средней мощности и эффективной частоты следования лазерных импульсов, генерация акустических волн идет неэффективно вследствие прохождения импульса через сформированный в воде пузырь. Показано, что наиболее эффективная лазерная экстракция катаракты возможна в режиме с меньшими средней мощностью и эффективной частотой лазерных импульсов в том случае, когда временной интервал между лазерными импульсами в пакете составляет 850 ± 10 мкс.
Ключевые слова: лазер, катаракта, микросекундный импульс, пакет импульсов, гидроакустический сигнал, экстракция, энергия импульса, аспирация, высокоскоростная видеосъемка.
Поступила в редакцию: 04.09.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 69–77
Образец цитирования: А. В. Беликов, С. Н. Смирнов, Ю. Н. Батов, А. Б. Губин, Ю. Б. Пирожков, Э. В. Бойко, М. Н. Немсицверидзе, “In vitro исследование экстракции катаракты лазерным излучением с λ = 1.54 мкм в виде пакетов микросекундных импульсов”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 69–77 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 69–77]

Агаровые фантомы биоткани для задач флуоресцентного мониторинга фотодинамической терапии

А. В. Хилов, В. А. Шишкова, Е. А. Сергеева, Д. А. Куракина, М. Ю. Кириллин

  • Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук, г. Нижний Новгород
  • Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского
Аннотация: Предложен подход к созданию агаровых фантомов, которые имитируют спектральные оптические свойства биотканей, содержащих флуоресцирующие слои, что позволяет смоделировать задачу оптической визуализации поверхностных биотканей при введении фотосенсибилизатора хлоринового ряда. Различное расположение флуоресцирующего слоя в фантоме позволяет имитировать биоткань как при поверхностном нанесении, так и при внутривенном введении фотосенсибилизатора. Показано хорошее согласие спектров поглощения и рассеяния фантомов со спектрами реальных биотканей в диапазоне длин волн 500–800 нм. Продемонстрированы изменения в спектрах коэффициентов поглощения и рассеяния фантомов, а также их флуоресцентных свойств, обусловленные добавлением флуоресцентного маркера (фотосенсибилизатора хлоринового ряда).
Ключевые слова: оптические свойства биотканей, спектроскопия, флуоресцентный имиджинг, фантомы биотканей, метод инверсного Монте-Карло, фотодинамическая терапия, фотосенсибилизаторы хлоринового ряда.
Поступила в редакцию: 26.11.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 63–68
Образец цитирования: А. В. Хилов, В. А. Шишкова, Е. А. Сергеева, Д. А. Куракина, М. Ю. Кириллин, “Агаровые фантомы биоткани для задач флуоресцентного мониторинга фотодинамической терапии”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 63–68 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 63–68]

Тераностика кожных новообразований на основе люминесцентной диагностики в сочетании с фотодинамической терапией в полосе поглощения порфирина

И. П. Шилов, А. С. Горшкова, А. В. Иванов, В. Д. Румянцева, Г. Л. Даниелян, В. В. Кашин

  • Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
  • Государственный научный центр лазерной медицины Федерального медико-биологического агентства России, Россия, Москва
  • Российский онкологический научный центр им. Н. Н. Блохина РАМН, г. Москва
  • Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, г. Москва
Аннотация: Представлены результаты разработки методики тераностики кожных новообразований на основе люминесцентной диагностики в сочетании с фотодинамической терапией (ФДТ) в полосе поглощения порфирина. Показано, что терапевтический эффект достигается исключительно благодаря ФДТ, без участия процесса гипертермии, которая осуществляется при температурах свыше 42 °С. В качестве препарата для тераностики использовался гель «Флюроскан» (его основа — дикалиевая соль иттербиевого комплекса 2,4-ди(α-метоксиэтил)дейтеропорфирина IX (Yb-ДМДП)). Изучены основные фотофизические свойства и возможные механизмы накопления наноразмерных малотоксичных фотосенсибилизаторов на основе данного соединения. Показано, что соединение Yb-ДМДП в растворе ДМСО (30%-ном водном ДМСО) обладает повышенными фотофизическими характеристиками (время жизни люминесценции 5–10 мкс, квантовый выход люминесценции до 1%, коэффициент экстинкции ~1.96 × 105 М–1 · см–1 на длине волны 398 нм). На экспериментальных животных проведены испытания предложенной методики тераностики опухолей с использованием геля «Флюроскан» и лазерно-волоконного флуориметра.
Ключевые слова: тераностика, наноразмерные фотосенсибилизаторы, иттербиевые комплексы порфиринов, фотофизические свойства, люминесцентная диагностика, оптоволоконный зонд, фармацевтическая композиция, кожные новообразования.
Поступила в редакцию: 08.09.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 56–62
Образец цитирования: И. П. Шилов, А. С. Горшкова, А. В. Иванов, В. Д. Румянцева, Г. Л. Даниелян, В. В. Кашин, “Тераностика кожных новообразований на основе люминесцентной диагностики в сочетании с фотодинамической терапией в полосе поглощения порфирина”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 56–62 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 56–62]

 

Проверка адекватности простой теоретической модели дегидратационного оптического просветления коллагеновых пучков: ОКТ-измерения

О. А. Зюрюкина, М. Е. Швачкина, В. И. Кочубей, Ю. П. Синичкин, Д. А. Яковлев

  • Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Аннотация: С помощью оптической когерентной томографии оцениваются коэффициенты рассеяния коллагеновых пучков при разных уровнях гидратации ткани. Проверяется работоспособность простой теоретической модели дегидратационного изменения оптических характеристик коллагенового пучка, который рассматривается как система параллельных цилиндров, выступающих в качестве моделей составляющих пучок коллагеновых фибрилл. Расчет характеристик рассеяния на индивидуальных рассеивателях проводится с использованием теории Ми. Для учета кооперативных эффектов, обусловленных плотной упаковкой рассеивателей, применена стандартная функция упаковки для системы идентичных цилиндров. Также в теоретической модели использован определенный эмпирический закон изменения уровня гидратации фибрилл при изменении содержания воды в ткани, предопределяющий изменения диаметра и показателя преломления фибрилл при дегидратации и регидратации ткани. Показано, что теоретические оценки, полученные с помощью этой модели, хорошо согласуются с экспериментальными данными, что позволяет рассматривать данную модель как надежную.
Ключевые слова: рассеяние света, компрессия, оптическое просветление биологических тканей, оптическая когерентная томография, коллагеновые пучки, фибриллы.
Поступила в редакцию: 02.10.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 48–55
Образец цитирования: О. А. Зюрюкина, М. Е. Швачкина, В. И. Кочубей, Ю. П. Синичкин, Д. А. Яковлев, “Проверка адекватности простой теоретической модели дегидратационного оптического просветления коллагеновых пучков: ОКТ-измерения”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 48–55 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 48–55]

Характеризация возрастных изменений вязкоупругости хрусталика кролика по результатам анализа дисперсии поверхностных волн

Х. Чжан, М. Сингх, Ф. Звецкович, К. Ларин, С. Аглямов

  • Department of Biomedical Engineering, University of Houston
  • Molecular Physiology and Biophysics, Baylor College of Medicine, Houston, TX, USA
  • Department of Mechanical Engineering, University of Houston
Аннотация: Вязкоупругие свойства хрусталиков молодых и зрелых кроликов in situ оценены с помощью волновой оптической когерентной эластографии (ОКЭ). Поверхностные волны в хрусталике создавались с использованием акустической радиационной силы (АРС) ультразвукового пучка, сфокусированного внутрь глазного яблока. Дисперсия поверхностных волн измерялась с помощью системы оптической когерентной томографии со стабилизацией фазы. Модуль Юнга и коэффициент сдвиговой вязкости были определены количественно на основе волновой модели Шолте. Результаты показали, что упругость и вязкость хрусталика молодых и зрелых кроликов значительно различаются. Модуль Юнга хрусталиков с возрастом увеличился с 7.74 ± 1.56 кПа (у молодых особей) до 15.15 ± 4.52 кПа (у зрелых), а коэффициент сдвиговой вязкости увеличился с 0.55 ± 0.04 Па · с (у молодых) до 0.86 ± 0.13 Па · с (у зрелых). Таким образом, комбинация АРС-возбуждения, ОКЭ-визуализации и дисперсионного анализа позволила провести неразрушающую количественную оценку вязкоупругости хрусталика in situ и является многообещающей для приложений in vivo.
Ключевые слова: хрусталик, оптическая когерентная эластография, вязкоупругость, акустическая радиационная сила.
Поступила в редакцию: 21.09.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 42–47
Образец цитирования: Х. Чжан, М. Сингх, Ф. Звецкович, К. Ларин, С. Аглямов, “Характеризация возрастных изменений вязкоупругости хрусталика кролика по результатам анализа дисперсии поверхностных волн”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 42–47 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 42–47]

Влияние конфигурации измерений на результаты КР-микроспектроскопии человеческого волоса

Н. Н. Брандт, Е. И. Травкина, Е. В. Михальчик, А. Ю. Чикишев

  • Физический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
  • Федеральный Научно-Клинический Центр Физико-Химической Медицины Федерального Медико-Биологического Агентства
Аннотация: Возрастающий интерес к спектроскопическим исследованиям человеческого волоса актуализирует вопрос о корректности измерения его спектров и оптимизации экспериментальных установок. Предложен оригинальный способ получения поперечного среза волоса без использования микротомов и химического воздействия. Проводится сравнение результатов конфокальной КР-микроспектроскопии человеческого волоса, полученных при его различной ориентации относительно оптической оси установки. Показано, что наряду с ожидаемыми изменениями спектров, происходящими при перемещении от периферии к оси волоса, наблюдаются также существенные различия спектров при возбуждении волоса перпендикулярно и параллельно его оси.
Ключевые слова: КР-микроспектроскопия, КР-картирование, волос человека, подготовка срезов волоса.
Поступила в редакцию: 02.10.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 36–41
Образец цитирования: Н. Н. Брандт, Е. И. Травкина, Е. В. Михальчик, А. Ю. Чикишев, “Влияние конфигурации измерений на результаты КР-микроспектроскопии человеческого волоса”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 36–41 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 36–41]

Методы нелинейной оптики для диагностики меланина: мини-обзор

Е. А. Ширшин, Б. П. Якимов, Г. С. Будылин, К. Е. Буянкин, А. Г. Армаганов, В. В. Фадеев, А. А. Камалов

  • Физический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
  • Медицинский научно-обра­зо­ват­ельный центр МГУ им. М.В.Ломоносова, Россия, Москва
  • НЦМУ «Цифровой биодизайн и персонализиро­ванное здравоохранение» Первого МГМУ им. И.М.Се­ченова Минздрава России (Сеченовский Университет), Россия, Москва
  • Институт спектроскопии РАН, Москва, г. Троицк
Аннотация: Оптические методы находят широкое применение в фундаментальных исследованиях живых систем и в задачах биомедицинской диагностики. Наряду с методами классической спектроскопии в биофотонике используются методы нелинейной оптики, например многофотонная микроскопия. В настоящем мини-обзоре рассматриваются возможности использования методов нелинейной оптики для визуализации и анализа свойств эндогенных молекул-хромофоров. На примере меланина – пигмента, обладающего спектральными особенностями фотофизических свойств в видимом и ближнем ИК диапазонах, обсуждается, какую информацию о его локализации в тканях и структурной организации можно извлечь с помощью методов нелинейной оптики: многофотонной флуоресцентной микроскопии (в том числе времяразрешенной), генерации третьей оптической гармоники, спектроскопии накачка – зондирование и комбинационного антистоксова рассеяния света.
Ключевые слова: меланин, нелинейные процессы, многоквантовые процессы, многофотонная микроскопия, визуализация времени затухания флуоресценции, FLIM, КАРС, спектроскопия накачка – зондирование.
Поступила в редакцию: 21.10.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 28–35
Образец цитирования: Е. А. Ширшин, Б. П. Якимов, Г. С. Будылин, К. Е. Буянкин, А. Г. Армаганов, В. В. Фадеев, А. А. Камалов, “Методы нелинейной оптики для диагностики меланина: мини-обзор”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 28–35 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 28–35]

Эритроцит в поле пучка лазерного пинцета

П. Б. Ермолинский, А. Е. Луговцов, А. Н. Семенов, А. В. Приезжев

  • Физический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
  • Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, биологический факультет
Аннотация: Рассмотрено воздействие остросфокусированного лазерного пучка с длиной волны 1064 нм и мощностью от 10 до 160 мВт на эритроциты при их оптическом захвате лазерным пинцетом. Установлено, что форма эритроцита, изменяющаяся после оптического захвата, перестает изменяться при длительности захвата менее 5 мин и мощности лазерного пучка менее 60 мВт. При мощности пучка свыше 80 мВт эритроцит начинает складываться при длительности захвата около 1 мин, а при мощностях выше 100–150 мВт мембрана эритроцита разрывается через 1–3 мин оптического захвата. Также обнаружено, что при многократном кратковременном захвате эритроцита в оптическую ловушку изменяются деформационные свойства мембраны: она становится более жесткой. Полученные результаты важны как для понимания механизмов взаимодействия лазерного пучка с эритроцитами, так и для оптимизации методики проведения оптических экспериментов, особенно для измерения деформационных свойств мембраны с помощью лазерных пинцетов.
Ключевые слова: эритроцит, лазерный пинцет, оптический захват, Nd :YAG.
Поступила в редакцию: 02.10.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 22–27
Образец цитирования: П. Б. Ермолинский, А. Е. Луговцов, А. Н. Семенов, А. В. Приезжев, “Эритроцит в поле пучка лазерного пинцета”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 22–27 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 22–27]

Новые подходы к трехмерной микроскопии живых клеток

В. Рихтер, М. Ранг, А. Генрих, Х. Шнекенбургер

  • Institute of Applied Research, Aalen University, Aalen, Germany
  • Center for Optical Technologies (ZOT), Aalen University, Aalen, Germany
Аннотация: Описаны методы микроскопии для трехмерной визуализации живых клеток, в том числе их проблемы и ограничения. Представлены новые устройства, использующие эти методы в сочетании с оптической 3D-печатью.
Ключевые слова: трехмерная микроскопия, флуоресценция, световой лист, оптическая 3D-печать
Поступила в редакцию: 08.10.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 17–21
Образец цитирования: В. Рихтер, М. Ранг, А. Генрих, Х. Шнекенбургер, “Новые подходы к трехмерной микроскопии живых клеток”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 17–21 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 17–21]

Терагерцевый микроскоп с наклонным субволновым освещением: принцип построения

О. В. Минин, И. В. Минин

  • Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Аннотация: Показано, что контраст изображения в воздухе при использовании микроскопа на основе диэлектрических микрочастиц размером порядка длины волны можно существенно повысить с помощью микрочастиц, обеспечивающих формирование области локализации излучения под углом к направлению падения излучения (под углом к оптической оси). Для этого перед частицей располагается экран, который блокирует часть падающего пучка, образуя фотонный крючок или фотонную струю (тераструю) с наклонным освещением в ближнем поле.
Ключевые слова: фотонный крючок, фотонная струя, тераструя, наклонное облучение, контраст изображения
Поступила в редакцию: 27.08.2021
Англоязычная версия:
Quantum Electronics, 2022, 52:1, 13–16
Образец цитирования: О. В. Минин, И. В. Минин, “Терагерцевый микроскоп с наклонным субволновым освещением: принцип построения”, Квантовая электроника, 52:1 (2022), 13–16 [Quantum Electron., 52:1 (2022), 13–16]