Главная страница    |    Статьи

Спекл-структура лазерного излучения –
эффективное средство в арсенале борьбы
с компьютерным зрительным синдромом

Г.И. Каданер, к.т.н. Б.В.Овчинников - ООО “Фирма ОЛИС”, С-Петербург

Современная стадия технического развития нашей цивилизации ознаменована резко возросшим потоком видеоинформации, ежедневно обрушивающейся на зрительный аппарат человека. Превалирующую долю в объеме этого потока формируют экраны компьютерных мониторов, за которыми тысячи пользователей проводят многие часы не только на рабочем месте, но и у себя дома, в школах, в интернет-кафе и даже в транспорте, расположив на коленях экран изящного ноутбука. Одним из негативных последствий такой агрессивной экспансии компьютерных технологий в повседневную жизнь стало возникновение у пользователей ПК специфического для наших дней заболевания – так называемого компьютерного зрительного синдрома (КЗС).

В ранее опубликованных статьях [1,2] достаточно подробно рассмотрены причины возникновения и развития компьютерного зрительного синдрома, состоящего из целого ряда негативных симптомов. Для профилактики и эффективного лечения одного из них – зрительного утомления и обусловленных им астенопических проявлений нами разработан аппарат, терапевтический эффект которого основан на взаимодействии спекл-структуры лазерного излучения со зрительным анализатором пользователя ПК.

Мощный стимулирующий эффект спекл-поля обусловлен целым рядом воздействующих факторов. Это, во-первых, благоприятные фотофизические и фотохимические процессы, протекающие в тканях глаза при взаимодействии с квантами лазерного излучения с длиной волны l = 0,63 нм [3]. Во-вторых, это стимулирующее плеоптическое воздействие пространственно-частотной (зернистой) структуры спекл-картины на сенсорную систему зрительного анализатора [4]. И, наконец, существеннейшим фактором лечебного эффекта следует признать уникальную геометрическую структуру (топологию) спекл-поля высококогерентного лазерного излучения. Для уяснения физической сущности последнего фактора рассмотрим механизм формирования спекл-картины на сетчатке глаза наблюдателя.

На рис.1 представлена типичная оптическая схема образования спекл-поля при проведении лазер-стимулирующей процедуры. Поток излучения 3 с длиной волны l , сформированный линзой 2 из коллимированного пучка гелий-неонового лазера 1, поступает на диффузно-рассеивающий экран 6 и освещает на нем некоторую область диаметром D. Пусть, как это характерно для большинства светорассеивающих экранов, отражающая поверхность области D образована микронеровностями, сильно увеличенный рельеф которых изображен на рисунке. Из всего множества лучей, посылаемых на экран линзой 2, выберем лучи 4 и 5, которые подают на одну из граней микронеровности области D, и будем считать, что характерные размеры микронеровности существенно больше длины волны λ. Тогда лучи 4 и 5 отразятся в направлении 4' и 5' в соответствии с законом зеркального отражения. Достигнув линзы 7 с фокусным расстоянием f ' , которая находится от экрана 6 на расстоянии l , удовлетворяющем условиям l >>D и l >> f ', лучи 4' и 5' соберутся в точке F' вблизи фокальной плоскости линзы.

Из рис.1 видно, что между лучами 4' и 5', один из которых отражается в области выступа, а другой – в области впадины микрорельефа, существует некоторая разность пройденных расстояний D l >> λ θли разность хода двух соответствующих волн. Благодаря этому колебания поля излучения в точке встречи волн F' приобретут разность фаз D j =2π D l / λ, ξт которой как раз и зависит усилится ли интенсивность колебаний в точке F' (светлая область), или взаимодействующие волны погасят (частично или полностью) друг друга ( темная область). В этом и состоит роль фундаментального явления – интерференции в формировании гранулярной спекл-структуры лазерного излучения.

Мы рассмотрели интерференцию лучей, отраженных только от одной грани микрорельефа рассеивающего экрана. На самом деле в зоне облучения D находится достаточно много хаотически ориентированных элементов, посылающих на линзу 7 лучи под разными углами к ее оптической оси. Для каждой пары таких лучей справедливо приведенное выше рассмотрение. Это и приводит к тому, что в фокальной плоскости линзы в пределах ее поля зрения образуется случайная интерференционная картина, состоящая из хаотически расположенных светлых и темных областей. Контраст К этой картины зависит от степени когерентности излучения g , и поэтому только при лазерном излучении, когда g ≈ 1, возникает развитая спекл-структура, характеризуемая фундаментальным соотношением

К = g= 1              (1)

Выполнение этого соотношения и обеспечивает необходимое для офтальмотерапии высокое качество спекл-картины, когда светлые пятна поля наблюдения разделены практически “черными” промежутками.

Рассмотренный механизм формирования спекл-структуры при рассеянии излучения шероховатой поверхностью имеет место и при взаимодействии лазерного излучения с объемно рассеивающими средами. Необходимая для интерференции разность фаз возникает в этом случае за счет отражения лучей от хаотического скопления микронеоднородностей, присутствующих в объеме среды. В молоке, например, такими неоднородностями служат жировые частицы, взвешенные в воде. В молочных стеклах, широко используемых в качестве рассеивателей проходящего излучения, неоднородности присутствуют в виде микрогранул с коэффициентом преломления, отличным от коэффициента преломления окружающего объема. Эта полезная особенность молочных стекол позволила нам применить их для построения компактного прибора – спекл-стимулятора “СОКОЛ”, описываемого ниже.

Пусть теперь в схеме рис.1 вместо линзы 7 размещен глаз наблюдателя. Тогда, независимо от его сознания описанное интерференционное взаимодействие будет иметь место на сетчатке глаза. Наблюдатель увидит структуру, которая будет восприниматься им в виде хаотически разбросанных в пределах поля зрения D светящихся пятен, разделенных темными промежутками. Диаметр d этих пятен, являющихся дифракционным изображением точек экрана 6, для эмметропического глаза определяется выражением

                       (2)

где λ - длина волны излучения, f ´ - заднее фокусное расстояние глаза, r - радиус его зрачка.

При миопическом и гиперметропическом глазе в выражение (2) вместо f ´ входят длины соответствующих отрезков, которые, однако, мало отличаются от фокусного расстояния глаза эмметропа.

Подставив в формулу (2) значения соответствующих параметров (λ= 0,63 мкм, f '= 23 мм, r = 2 мм), найдем диаметр d = 9 мкм, т.е. светлые пятна спекл-структуры перекрывают на сетчатке, приблизительно, один-два фоторецептора. Следовательно, независимо от рефракции глаза, пространственная частота наблюдаемой картины практически совпадает с разрешающей способностью зрительного аппарата. Благодаря этому спекл-структура лазерного излучения представляет для офтальмологии прекрасный паттерн высокой пространственной частоты, четкое восприятие которого (а, следовательно, и эффективность воздействия) практически не зависят от параметров оптической системы и дефектов рефракции глаза.

Одним из немногих препятствий к применению спекл-стимулирующей терапии может служить серьезное помутнение глазных сред. Допустимую степень такого помутнения можно оценить из следующих соображений.

Известно, что при рассеянии когерентного излучения в мутных средах контраст образующейся спекл-картины К зависит от оптической толщины рассеивающего слоя и, следовательно, от средней кратности рассеяния - С. Оптическая толщина t слоя рассеивающей среды определяется выражением

t = z ε                        (3),

где z – геометрическая толщина рассеивающего слоя, ε - его натуральный показатель ослабления.

С увеличением оптической толщины среды кратность рассеяния С возрастает, что приводит к резкому увеличению длины хода лучей в слое, а, следовательно, и к заметному уменьшению степени когерентности излучения g , достигающего сетчатку.

В соответствии с условием (1) это, в свою очередь, приводит к снижению контраста спекл-картины К так, что при оптической толщине слоя t ≈40 значение контраста не превышает К=0,3 [5], т.е. модуляция яркости поля наблюдения становится едва различимой. Считая указанное значение К предельным и приняв геометрическую толщину z равной средней длине глаза l = 2,4 см, на основании (3) найдем, что спекл-стимулирующее воздействие может быть эффективным только для глаз, показатель ослабления сред которых не превышает значения

ε = t/ z £ 40/2,4 £ 17 см-1

Полученные значения ε достаточно велико и, приблизительно, соответствует показателю ослабления такой сильно мутной среды, как рассеивающее стекло МС-19, используемое в качестве эталона мутности. В офтальмологической практике близкое значение ε = 17 см-1 может иметь место при зрелой или последней стадии развитой катаракты. В подавляющем большинстве других патологий степень мутности глазных сред характеризуется существенно меньшим значением ε (для оптических стекол, например ε = 3 · 10-5 - 1 · 10-4 см-1), и, следовательно, в этих случаях лазерная спекл-стимуляция может применяться с присущей ей высокой эффективностью.

Уяснив механизм формирования спекл-картины на сетчатке глаза и ограничения, накладываемые на состояние его оптических сред, рассмотрим более тонкий вопрос о топологической структуре “хаоса” спекл-поля.

Выше было показано, что зернистость наблюдаемой картины обусловлена наличием на поверхности светорассеивающего экрана микронеровностей, посылающих в глаз отраженные лучи. Случайный характер модуляции яркости спекл-картины непосредственным образом обусловлен геометрическими свойствами (топологией) рассеивающей поверхности, которая характеризуется случайным распределением как высоты рассеивающих микронеровностей, так и углов наклона a (см. рис.1) их отражающих граней. На протяжении многих лет (начиная с работ П.Бугера 18-го века) считалось, что математический характер этой случайности описывается законом нормального распределения Гаусса. Однако, недавние фундаментальные исследования [6] показали, что топология шероховатых поверхностей рассеивающих экранов, сформированных традиционными технологическими приемами, представляет из себя фрактальную структуру. Последнее требует отдельного рассмотрения.

Физический фрактал – это материальная система, геометрия которой обладает свойством самоподобия. Ее можно представить состоящей из отдельных частей (фрагментов), в определенном смысле подобных всей системе в целом [7]. Самое интересное и необычное свойство таких объектов состоит в том, что им невозможно приписать какую-либо традиционную меру с целой размерностью: - длину, площадь или объем (размерности последних, соответственно, первая, вторая и третья степени длины). В связи с этим фрактальным структурам присваивается дробное (фрактальное) значение размерности.

Фрактальность топологии рассеивающего экрана приводит к соответствующей организации структуры наблюдаемой спекл-картины. Кажущийся “хаос” в распределении ее светлых и темных пятен также имеет фрактальную природу, что, в значительной мере, и обеспечивает стимулирующее воздействие спекл-структуры на зрительный анализатор.

Это предположение нашло убедительное подтверждение в новейших исследованиях биоэлектрической активности мозга при воздействии оптического излучения, сформированного фрактальными фильтрами. Фильтры представляли из себя плоскопараллельные пластины оптического стекла, на которые нанесен рисунок в виде узора с фрактальной размерностью d ≈ 2,322, состоящей из светлых линий на темном фоне. Источником излучения в этих опытах служила маломощная лампа электрического фонаря, которую испытуемый наблюдал в течение 10 мин. невооруженным глазом (первая серия опытов) или через фрактальный фильтр (вторая серия).

В первой серии опытов никаких значимых изменений в энцефаллограммах испытуемых но было зафиксировано. Вторая серия достоверно продемонстрировала положительное влияние излучения, прошедшего через фильтр. Наблюдалось явно выраженное возрастание мощности биоритмов, глобальная синхронизация мозговых процессов, усиление деятельности всех систем мозга, а значит и центральных отделов зрительного анализатора [8]. Кроме того, после десятиминутных сеансов наблюдений в течение шести дней испытуемые, по субъективным оценкам, отмечали повышение эмоционального тонуса, снятие усталости и ощущение “приятного расслабления”. Это наряду с объективными измерениями электрической активности мозга позволяет обоснованно предположить, что воздействие фрактально-структурированного поля излучения на фоторецепторы зрительного анализатора вызывает положительную реакцию центральной нервной системы.

Таким образом, можно смело утверждать, что, эффективное применение спекл-терапии для лечения и профилактики зрительного утомления пользователи ПК обусловлено целым комплексом воздействующих факторов. Это и фотобиологические эффекты взаимодействия излучения подходящего спектрального состава с тканями глаза, это и плеоптическое воздействие высококонтрастной пространственно-частотной спекл-структуры на сенсорную систему зрительного аппарата, это и благоприятное воздействие низкоэнергетического лазерного излучения на аккомодационный аппарат глаза. Но (и в неменьшей степени) это и эффекты активации биоэлектрической активности мозга, возникающие в его системах при взаимодействии фоторецепторов с фрактально структурированным излучением.

Глубокое понимание описанных оптико-физических механизмов формирования лазерной спекл-структуры, адекватные представления о ее топологии и процессах взаимодействия с аппаратом зрительного восприятия позволили нам разработать портативный спекл-стимулятор “СОКОЛ” (рис.2), в котором, в отличие от большинства известных приборов используется полупроводниковый лазерный излучатель с длиной волны λ=0,635 мкм. Стимулятор “СОКОЛ” имеет небольшие габариты и вес и при этом, несмотря на заметно меньшую, чем у гелий-неоновых лазеров степень когерентности, формирует высоко контрастное четко структурированное спекл-поле, необходимое для эффективной борьбы с КЗС.

Оптическая схема прибора построена по оригинальной схеме, защищенной свидетельством на полезную модель. Схема работает следующим образом (см. рис. 3).

Поток когерентного излучения лазерного источника 1, ограниченный диафрагмой 2, поступает на объемный рассеиватель 3 – молочное стекло марки МС-23. Элементарные пучки излучения, вышедшие из молочного стекла, за счет многократного рассеяния в толще материала приобретает начальную разность фаз D j . Световой поток, состоящий из этих пучков, перехватывается линзой 4, поступает на конденсор 5 и далее – на матовую поверхность МП светофильтра 6, служащую экраном наблюдения. Высокий контраст этого экрана достигается за счет применения в качестве материала светофильтра 6 цветного стекла марки КС 10, максимум спектрального пропускания которого совпадает с длиной волны лазерного излучения.

Таким образом, на сетчатке глаза наблюдателя изображение экрана 6 строится когерентным излучением, элементарные пучки которого имеют начальную разность фаз. Поэтому, фиксируя взор на экран, наблюдатель, как и в рассмотренном выше случае (рис.1), видит зернистую спекл-картину, оказывающую положительное воздействие при КЗС. Диафрагма 2, ограничивающая размеры излучающей зоны стекла 3, увеличивает угловое расстояние между соседними максимумами этой картины, что в свою очередь обеспечивает высокую четкость наблюдаемой структуры.

В связи с рассмотренными выше тонкими оптико-физическими эффектами, описанными выше и положенными в основу функционирования аппарата “СОКОЛ” его серийный выпуск осваивался высокотехнологичным предприятием – ФГУП “ЦНИИТОЧМАШ”, имеющим мировую известность в области разработки и производства оборонных оптико-лазерных систем высокого разрешения. Методика применения стимулятора для профилактики и снятия зрительного утомления разработана в ВНИИ ГБ им. Гельмгольца под руководством д.м.н. проф. Ю.З.Розенблюма.

Высокая эффективность прибора при лечении и профилактике зрительного утомления подтверждена результатами клинических испытаний в таких авторитетных медицинских учреждениях, как кафедра глазных болезней Российского государственного медицинского университета, НИИ глазных болезней Российской академии медицинских наук, кафедра офтальмологии Российской академии последипломного образования (г. Москва).

На протяжении нескольких последних лет прибор успешно используют ведущие офтальмологические клиники России:

    • Городской диагностический центр № 7 (глазной), С-Петербург;
    • Кафедра глазных болезней педиатрического факультета РГМУ, Москва;
    • Детский офтальмологический центр “Эксимер”, Москва;
    • Пензенский институт усовершенствования врачей, Пенза и др.

Стимулятор “Сокол” внесен в Государственный Реестр медицинских изделий и имеет сертификат соответствия Госстандарта России. Наличие аппарата на рабочем месте пользователя ПК позволит надежно предотвратить один из самых неприятных симптомов КЗС – зрительное утомление.

Литература 

  1. Матвеева В. Помогаем клиентам с КЗС// Веко. 2005 . № 7. С.50-52.

  2. Давыдов В. МКЛ в условиях всеобщей компьютеризации // Веко. 2005. № 7. С.82-84.

  3. Линник Л.А., Баронецкая Н.Л. Офтальмол.журнал. 1978. №3.С.164-167.

  4. Аникина Е.Б., Орбачевский Л.С., Шапиро Е.Ш. Низкоинтенсивные лазерные технологии в офтальмологии // Лазерная медицина. 1997. т.1. вып.2. С.17-24.

  5. Щербакова Н.И., Войшвилло Н.А. Прохождение излучения через слои молочных стекол // Импульсная фотометрия. 1984. вып.8. С.15-21.

  6. Попов И.А. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.ф-м.н. 1999.

  7. Кроновер Р.М. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории. 2000. 352 с.

  8. Николаенко Н.Н., Рыбина Л.А., Серов И.Н. Изменения электрической активности мозга и поведения при использовании фильтров с матричной фрактальной топологией // ДАН. 2002. т.383. №1. С.132-133.

Главная страница    |    Статьи