Основна цел на проекта е установяване и развитие на научно сътрудничество между Института по оптически материали и технологии към БАН (ИОМТ-БАН) и Научно-технологичния център за уникално приборостроене към Руската академия на науките (НТЦ УП – РАН). Това сътрудничество ще се изгради в процеса на изпълнението на конкретни научни задачи от взаимен интерес в областта на вълновата оптика, тъканна поляриметрия и цифрова обработка на изображения. Проектът е посветен на кохерентните методи за визуализиране на биологични обекти и цели съвместното разработване на четири подхода за диагностициране на промени в биологични тъкани и клетъчни структури: 1) 4D визуализиране на биологични тъкани чрез въвеждане на биоспекъл анализ в оптичната кохерентна томография (ОСТ); 2) тъканна поляриметрия и поляризационно визуализиране на здрави и патологично променени тъкани; 3) цифрова холография със структурирано осветяване с пространствено-светлинен модулатор (SLM) за визуализиране на обекти в дифузно разсейваща среда; 4) цифрова холографска микроскопия за визуализиране на прозрачни клетъчни структури и пространствено и спектрално характеризиране на техния показател на пречупване чрез едновременен запис на няколко дължини на вълните. Първите три подхода ще се разработват с водещото участие на екипа от ИОМТ-БАН, а четвъртият подход ще се осъществява в НТЦ УП – РАН. Разработването на всеки един от тези изследователски методи изисква: 1) теоретичен анализ, 2) проектиране и създаване на оптична установка, 3) разработване на алгоритми за извличане на информацията със съответния софтуер, 4) цифрово моделиране на измерванията с оглед на тяхната специфика, включително и Монте-Карло моделиране на миграцията на фотоните, 5) провеждане на тестови измервания и такива с биологични образци, 6) анализ на метрологичните характеристики на разработваните методи. Изпълнението на проекта изисква експертни умения във вълновата оптика, интерферометрията, цифровата холография, методите за извличане на фазата на комплексната амплитуда на оптичен сигнал, тъканната оптика, акустооптиката, цифровата обработка на изображения и статистическия анализ, което определя интердисциплинарния характер на проекта. Теоретичният анализ се базира върху скаларната теория на дифракцията с прилагане на интеграла на Френел и разлагане по плоски вълни за описание на разпространението на светлината в свободното пространство, върху матричния формализъм на Стокс-Мюлер като валиден за светлина с произволна степен на поляризация и Монте-Карло моделиране на разпространението на светлината в тъканите в случая на оптична кохерентна томография и тъканната поляриметрия с цел намиране на оптичния отклик при тези измервания. Планира се разработването на специализиран софтуер за повечето задачи, включени в проекта. Създаването на алгоритми и софтуер ще се базира на методите за динамичен спекъл анализ и поляриметрия чрез формализма на Стокс-Мюлер, разработени от колектива в ИОМТ-БАН и разработения от руска страна аналитичен модел на дифракцията на светлинен сноп върху обемна динамична решетка, създавана от акустична вълна в едноосен кристал. Планира се провеждането на числени симулации за потвърждаване на концепция и като мощно средство за статистически анализ. Ще се разработят подходи за моделиране на спекъл изображения. Численото моделиране и пресмятане на енергетичния баланс и аберациите на цифровия холографски микроскоп с акустооптичен монохроматор и интерферометър ще се провежда от руската страна с помощта на програмата Zemax. Оценяване на качеството на визуализиране ще се осъществява с помощта на стандартни метрични показатели. Проектът предвижда значителна по обем експериментална работа, която ще се осъществява с наличното оборудване в лаборатория „Оптична метрология и холография“ в ИОМТ-БАН. Предвижда се участие в експерименти, провеждани от партниращата организация в Русия.

Изследователският план предвижда 4 работни пакета и един пакет с организационни дейности. В областта на оптичната кохерентна томография ще се разработи метод за сегментиране на обемни OCT изображения с прилагане на динамичен спекъл анализ към всеки сегмент и се очаква постигане на 4D визуализиране на структури в тъканни образци. Очакваният резултат е комбинирането на ОСТ с биоспекъл обработка да обогати възможностите на този вид оптична образна диагностика и да се създадат условия за намиране на подход за редуциране на спекъл шума, за компресиране на данните и повишаване на селективността на измерването. В областта на тъканната поляриметрия се предвиждат визуализиране на патологични промени в биологични тъкани с помощта на поляризационен оптичен микроскоп, което включва получаване на изображения за две ортогонални линейни поляризации за всички видове образци и построяване и анализ на поляризационни изображения. Очаква се създаването на действаща установка и подобряване на контраста при поляризационното визуализиране чрез статистически анализ. Ще се създадат бази данни за поляризационните характеристики на тъканите (двулъчепречупване, диатенюация и др.). Ще се направи сравнение и потвърждение на основните механизми за разграничаване на характеристиките при здрави и патологично изменени тъкани. В областта на цифровата холография със структурирана светлина ще бъде конструирана оптична схема от Мах-Зендер тип за запис на цифрови холограми с пространствено светлинен модулатор за генериране на структурирано осветяване и ще се разработи алгоритъм за разпознаване на структури в разсейващи среди чрез статистическа обработка на холограми, записани при осветяване с периодична светлинна структура или опорно спекъл поле. Очаква се получаването на двумерното деформационно поле на образците. Тези данни ще се използват за извличане на информация за морфологичен анализ на тъканите. В областта на цифровата холографска микроскопия се планира създаването на оптична система с акустооптичен модулатор, който позволява едновременен запис на холограми в няколко тесни спектрални интервала за високоскоростно определяне на спектралната зависимост на показателя на пречупване на биологични обекти. В областта на мултиспектралната цифрова холографска микроскопия ще се създаде нов метод за провеждане с висока скорост, ограничена само от времето на експозиция на приемника, и с необходимата точност на измерване на спектралната зависимост на показателя на пречупване (определена от броя спектрални интервали на разработения акусто-оптичен филтър) и други пространствени параметри на всеки елемент от изпитвания обект и в резултат на това да се извърши анализа (състав, форма, аномалия) на биологични микро-обекти. Ще се разработи хардуера и софтуера на метода, който не изисква сканиране. Това е изключително важно за задачите по цитология и патоморфология, включително диагностика и лечение на различни заболявания.

Проектът предвижда работни посещения в двете научни организации и организиране на тематични българо-руски семинари в ИОМТ-БАН, обмен на данни и софтуер, оформяне на резултатите като заявки за патенти, доклади на конференции и публикации в реномирани списания с импакт-фактор или импакт-ранг. В проекта участват млади учени, които ще получат възможност да участват в изследователската работа и да популяризират резултатите на международни форуми. Това ще спомогне за професионалното им израстване. Очаква се интензивното сътрудничество с колегите от Русия да генерира нови идеи и нови проекти. Разработеният хардуер и софтуер ще се използват за създаване на бази данни.