ИСТИНА

1 Выполнить теоретические расчеты дифракции лазерного пучка на суспензии прозрачных частиц различной формы с учетом их разброса по деформируемости; 2 Установить соответствие между параметрами дифракционной картины со средним по популяции значением и дисперсией индекса деформируемости эритроцитов; 3 Провести тестовые эксперименты по верификации предлагаемого математического алгоритма на эритроцитах человека. 4 Сравнить количественные оценки популяционных и индивидуальных характеристик эритроцитов в норме и при различных заболеваниях, полученных методами дифрактометрии и лазерного пинцета соответственно. 5 Выполнить запись цифровых голограмм эритроцитов в когерентном свете методом фазовых шагов и частично-когерентном свете методом гиперспектральной голографии. Оптимизировать алгоритмы расчета для выполнения на мобильном устройстве.

It is well known that the size and deformability of red blood cells are important parameters for the diagnosis and treatment of various diseases. However, until now, the measurement of these parameters is often unavailable due to the high cost and complexity of existing methods, as well as the possibility of their implementation only in a clinical diagnostic center. In this regard, the search for alternative and simple measurement methods is currently relevant. One of these methods is proposed to be implemented in this project.

1. Будут разработаны теоретические модели, описывающие механизм рассеяния лазерного пучка на неоднородном по деформируемости ансамбле красных клеток крови. 2. Методом гиперспектральной голографии будет исследован характер распределения формы и размеров эритроцитов человека. 3. Будет разработано программное обеспечение для определения ряда параметров крови: индекса средней деформируемости эритроцитов, характерной ширины и степени асимметрии распределения эритроцитов по деформируемости. 4. Будет проведена верификация алгоритмов обработки данных как на специально подготовленных образцах, так и реальных образцах крови пациентов с различными заболеваниями. 5. Будет построен макет мобильного дифрактометра для исследования распределений эритроцитов по размерам.

Научная группа МГУ обладает лабораторными площадями в Корпусе нелинейной оптики МГУ, доступом к уникальному оборудованию для работы с кровью человека и малых животных в рамках сотрудничества группы с факультетом фундаментальной медицины МГУ (ФФМ). Сотрудничество с медиками ФФМ дает возможность группе ставить и решать задачи, которые актуальны не только с точки зрения физики, но и медицины. Коллектив группы обладает значительным опытом работ на современным оборудовании для измерения микро и макро реологических параметров крови. В распоряжении лаборатории имеется лазерным эктацитометр, лазерный пинцет. Получено разрешение этического комитета МГУ для проведения экспериментов с малыми животными и для работы с кровью человека и животных. Вторая научная группа, под руководством д.ф.-м.н., профессора Каленкова С.Г., – научные сотрудники МГТУ «Станкин», НТЦ УП РАН, ООО «Микрохоло» - обладает существенным теоретическим и экспериментальным заделом в области цифровой голографической микроскопии микрообъектов в когерентном и частично-когерентном свете. Так, еще в 1995 году Каленков С.Г. и Власов Н.Г. одними из первых показали, что метод фазовых шагов, первоначально предложенный в интерферометрии, позволяет решить «фазовую проблему» в оптике. Они предложили 4-х шаговый алгоритм записи голограмм для регистрации и восстановления комплексного волнового поля объекта. В частности, они первыми отметили перспективность его применения в цифровой голографической микроскопии. Позже, с развитием и удешевлением опто-электронных устройств наша группа также экспериментально подтвердила этот метод. В рамках гранта «Старт» фонда содействия инновациям им. Бортника был разработан макет оптоволоконного цифрового голографического микроскопа. Были разработаны методы и программы «безлинзовой» регистрации цифровых голограмм

1. Разработан макет компактного мобильного оптического устройства для исследования реологических параметров клеток крови. Прибор определяет параметры клеток крови методом дифрактометрии. Компактность и мобильность оптического устройства достигнута за счет развития техники дифрактометрии и использования компактных компьютеризированных оптических устройств. В разработанном макете для получения дифракционных картин вместо используемых ранее когерентных источников излучения применен светодиодный источник, что позволило добиться снижения когерентного спекл шума и улучшило точность фиксации деталей дифракционной картины. Применение компактного регистратора дифракционных картин на базе камеры RaspberryPiCameraModule v2.1, снабженной встроенным компьютером с интерфейсом ввода/вывода общего назначения, портами USB 2.0 для подключения периферии, HDMI, Ethernet, беспроводными интерфейсами Wi-Fi и Bluetooth, обеспечило мобильность и возможность автономной работы прибора вне специализированных лабораторий. 2. Предложена процедура, позволяющая вычислить комплексную амплитуду равномерно движущегося объекта, т.е. гиперспектральную голограмму нестационарного объекта в некогерентном свете. 3. Методом гиперспектральной голографии зарегистрирована комплексная функция пропускания одиночных эритроцитов, проведена верифицикация модели представления эритроцитов в теории дифрактомерии. 4. Усовершенствованы алгоритмы обработки дифракционных картин, которые предполагается использовать в создаваемом в рамках Проекта мобильном устройстве. Для быстрого измерения параметров распределения эритроцитов по размерам был предложен метод, который предполагает получение дисперсии размеров эритроцитов (ширины распределения) на основе видности дифракционной картины от мазков сильно разбавленной суспензии клеток. Проведены оценочные измерения ширины дисперсии распределения клеток на основе дифракционных картин полученных на созданном макете мобильного устройства. Для быстрого измерения параметров распределения эритроцитов по деформируемостям получены новые дифрактометрические уравнения, связывающие характеристики ансамбля эритроцитов с параметрами дифракционной картины, возникающей при рассеянии лазерного пучка на разбавленной суспензии эритроцитов (влажных мазках крови), деформированных силами вязкого трения. На основе этих уравнений разработан алгоритм измерения новой характеристики крови – коэффициента эксцесса для распределения эритроцитов по деформируемости. Коэффициент эксцесса традиционно используется для характеристики отличия распределения плотности вероятности от гауссова распределения. Одним из проявлений такого отличия может быть бимодальная структура распределения эритроцитов по деформируемости, характерная для некоторых заболеваний, в частности, серповидно-клеточной анемии и малярии. Алгоритм работает с периферической частью дифракционной картины и предназначен для анализа слабо неоднородных ансамблей эритроцитов. Основная идея заключается в том, чтобы аппроксимировать линию изоинтенсивности дифракционной картины вблизи ее полярной точки полиномом четвертой степени. При этом значительно расширяется область подобия линии изоинтенсивности и ее полиномиальной аппроксимации. Это означает, что такая аппроксимация позволяет более полно учесть свойства наблюдаемой дифракционной картины и таким образом полнее учесть свойства исследуемого образца крови. Полученные дифрактометрические уравнения дают приближенные аналитические выражения для геометрических характеристик дифракционной картины через параметры исследуемого образца крови, а именно чрез среднее значение деформируемости эритроцитов и центральные статистические моменты распределения эритроцитов по деформируемости второго (дисперсия), третьего (асимметрия) и четвертого (коэффициент эксцесса) порядков. В качестве примера решена задача о рассеянии лазерного пучка на неоднородном ансамбле эритроцитов, содержащем клетки двух типов – нормальные и слабо деформируемые (бимодальный ансамбль). Показано, что определенная комбинация характеристик деформируемости эритроцитов, включающая в себя коэффициент эксцесса распределения, может служить индикатором модальной структуры распределения эритроцитов по деформируемости. Таким образом, одновременное определение указанных моментов может быть важным для образцов крови, содержащих фракцию слабо деформируемых клеток – например, при серповидно-клеточной анемии. Предлагаемые нами алгоритмы предполагается использовать в создаваемом мобильном устройстве, которое будет полезно при диагностике и лечении заболеваний, связанных с нарушением деформируемости и изменением размеров ансамбля клеток крови. Разработанные нами алгоритмы позволяют измерять размеры и дисперсию распределения эритроцитов по размерам, а также четыре центральных момента распределения эритроцитов по деформируемости – среднее значение, дисперсию, коэффициенты асимметрии и эксцесса. Поскольку мобильное устройство будет использоваться в медицинских целях, то предложенные алгоритмы важны для для развития междисциплинарных направлений и являются очень важным результатом для достижений целям проекта. 5. Предложена процедура обработки дифракционных картин, позволяющая с высокой точностью измерять кривизну линий изоинтенсивности. Процедура включает в себя поиск конкретных точек линии изоинтенсивности, которые мы назвали точками зоны. Координаты этих точек определяются шириной линии (полосы) изоинтенсивности в зависимости от разрешения и динамического диапазона камеры. Определение координат зонных точек позволяет рассчитать кривизну линии по формуле второй дифференциальной производной. Точность процедуры обоснована с помощью аналитических оценок второй и четвертой производных функции, описывающей линию изоинтенсивности. Показано, что для измерения кривизны линии изоинтенсивности с погрешностью не более одного процента необходимо сфотографировать окрестности интересующих нас точек с разрешением около 10 мегапикселей или сделать снимок всей дифракционной картины с разрешением 100 мегапикселей 6. Разработана методика изготовления влажных мазков, пригодных для регистрации дифракционных картин и записи гиперспектральных голограмм без и при наличии потока. Для проведения измерений распределения деформируемости клеток было предложено использовать напечатанный на 3д-принтере прозрачный микроканал с длинной 3 см, шириной 5 мм, и высотой 100 мкм. С двух сторон микроканала находятся резервуары для суспензии эритроцитов. Один резервуар прикрепляется к перекачивающему суспензию клеток механизму, а второй служит приемником для прошедшей через микроканал суспензии. Деформация клеток в потоке возникает за счет сдвигового напряжения от потока, создаваемого с помощью специального шприцевого механизма, который создает постоянную разность давлений между резервуарами за счет непрерывного и равномерного измерения положения шприца. Усовершенствована подготовка мазков для быстрых измерений параметров распределения эритроцитов по размерам. В протокол измерений введена процедура обработки эритроцитов раствором глютаральдегида, которая обеспечивает сохранность форм и размеров эритроцитов на влажном и сухом мазке крови в течение времени, необходимого для измерений. Тем самым решена проблема воспроизводимости дифракционных картин, получаемых при освещении лазерным пучком разных участков одного и того же влажного мазка крови. В существующую методику изготовления мазков для предотвращения оседания и адсорбции клеток на стенках предложено включить предварительное нанесение на стенки сухого и влажного мазка, а также микроканала, раствора альбумина с последующем его высушивании на протяжении 2-3 часов.