Что такое голограмма в медицине

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

Читинская Государственная Медицинская Академия

Кафедра медицинской физики и информатики

Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

1. Историческая справка.

2. Понятие голографии и голограммы.

3. Голограмма плоской волны.

4. Голограмма точки.

6. Свойства голограмм.

7. Источники света в голографии, регистрирующие материалы.

8. Применение голографии в медицине.

2.1. Историческая справка.

Основы голографии были заложены в 1948 физиком Д. Габором (Великобрита­ ния). Желая усовершенствовать элект­ ронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электрон­ ных волн путём наложения на пред­метную волну попутной когерентной опорной волны. Модельные оптические опыты Габора положили начало голографии. Однако отсутствие мощных источников когерентного света не позволило ему получить качественных голографического изображений.

К 1965 —1966 были созданы теоретически и экспериментально ос­ новы голографии.

В последующие годы развитие голографии идёт главным образом по пути совершенство­ вания её применений.

2.2. Понятие голографии и голограммы.

Голография — метод записи и восстановления изображения, ос­ нованный на интерференции и дифракции волн.

Изложение голографии уместно начать сравнением с фотогра­ фией.

При фотографировании на фотопленке фиксируется интен­ сивность световых волн, отраженных предметом. Изображение в этом случае является совокупностью темных и светлых точек. Фазы рассеиваемых волн не регистрируются, и таким образом пропадает значительная часть информации о предмете.

Голография же позволяет фиксировать и воспроизводить более полные сведения об объекте с учетом амплитуд и фаз волн, рас­ сеянных предметом. Регистрация фазы возможна вследствие интер­ ференции волн.

С этой целью, на светофиксирующую поверхность посылают две когерентные волны:

a) опорную, идущую непосредствен­но от источника света или зеркал, которые используют как вспомо­ гательные устройства, и

b) сигнальную (предметную), которая появляется при рас­ сеянии (отражении) части опорной волны предметом и содержит соответствующую информацию о нем.

Интерференционную картину, образованную сложением предметной и опорной волн, и зафиксированную на светочувствительной пластинке, называют голограммой.

Тогда, другими словами, ГОЛОГРАФИЯ (от греч. holos — весь, полный и grapho — пишу), способ записи и восстановления волн, поля, основанный на регистрации интерфе ренционной картины, которая образована вол­ ной, отражённой предметом, освеща­ емым источником света (предмет ная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна; рис. 1(штриховкой показаны зеркала).).

Рис.1. Схема получения голограммы.

Для восстановления изображения голограмму освещают той же опорной волной. Голограмма, освещённая опор­ ной волной, создаёт такое же ампли­тудно-фазовое пространств, распреде­ ление волн, поля, которое создавала при записи предметная волна. Т. о., в соответствии с Гюйгенса — Френеля принципом, голограмма преобразует опорную волну в копию предметной волны (рис.2.).

Рис.2. Схема восстановления волнового фронта.

Пусть интерференционная структура, об­разованная опорной и предметной вол­ нами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки го­ лограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в которых её фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем про­ зрачнее, чем большей была интенсив­ ность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в её плоскости непо­средственно за ней образуется то же распределение амплитуды и фазы, которое было у предметной волны, что и обеспечивает восстановление по­ следней.

Для восстановления предметной вол­ ны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на ин­ терференционной структуре голограммы в дифракциальном пучке первого порядка вос станавливается копия предметной вол­ны, образующая неискажённое мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании.

В случае двух­ мерной голограммы одновременно вос­ станавливается сопряжённая волна минус первого порядка, образующая искажённое действительное изображение предмета. Углы, под которыми распро­ страняются дифракциальные пучки нулевых и первых порядков, определяются уг­лами падения на фотопластинку пред­ метной и опорной волн. В схеме Га бора источник опорной волны и объ ект располагались на оси голограммы (осевая схема). При этом все три волны распространялись за голо­ граммой в одном и том же направ­ лении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие поме­ хи были устранены наклоном опорной волны (в неосевая схема).

Покажем на некоторых примерах, как получается голограмма и восстанавливается изображение.

Опорная волна II падает нормально, поэтому во всех точках фотопластинки одновременно ее фаза одинакова. Фазы предметной волны вследствие ее наклонного падения различны в разных точ­ ках светочувствительного слоя. Из этого следует, что разность фаз между лучами опорной и предметной волн зависит от места встречи этих лучей на фотопластинке и, согласно условиям максимумов и минимумов интерференции, полученная голограмма будет состоять из темных и светлых полос.

Пусть АВ (рис.3., б) соответствует расстоянию между цен­ трами ближайших темных или светлых интерференционных полос. Это означает, что фазы точек А и В в предметной волне отличают­ ся на 2π. Построив нормаль АС к ее лучам (фронт волны), нетруд­ но видеть, что фазы точек А и С одинаковы. Различие фаз точек В и С на 2π означает, что .

Из прямоугольного Δ АВС име­ ем: . (1)

Направив на голограмму опорную волну I (рис.4.) и осущест­ вим дифракцию. Первые главные максимумы соответствуют направлениям . Подставив АВ из (1) вместо с, имеем (2)

Откуда . (3)

Из (3) видно, что направление волны I ‘ (рис.4.), диф­ рагированной под углом α, соответствует предметной: так восста­ навливают волну, отраженную (рассеянную) предметом. Волна I » и волны остальных главных максимумов (на рисунке не показаны) также воспроизводят информацию, зафиксированную в голограмме.

Хотя в данном примере предмет ная волна является сфери­ ческой, можно с некоторым приб­ лижением применить формулу (2) и заметить, что по мере увеличения угла α1 (см. рис. 3., б) уменьшается расстояние АВ между соседними полосами. Нижние дуги на голограмме (рис. 5., б) расположены более тесно.

Если вырезать из голограммы узкую полоску, показанную пунктирными линиями на рис. 5., б, то она будет подобна узкой дифракционной решетке, постоянная которой уменьшается в направлении оси X . На такой решетке от­клонение вторичных волн, соответствующих первому главному максимуму, возрастает по мере увеличения координаты х щели становится меньше, | | —больше.

Таким образом, при восстановлении изображения плоской опор­ ной волной дифрагированные волны уже не будут плоскими.

Так как рассеянные предметом волны попадают совместно с опорной волной во все точки голограммы, то все ее участки содер­ жат, информацию о предмете и для восстановления изображения не обязательно использовать полностью всю голограмму. Следует, однако, заметить, что восстановленное изображение тем хуже, чем меньшую часть голограммы для этого применяют. Из рис.6. видно, что мнимое и действительное изображения образуются и в том случае, если восстановление осуществляют, например, нижней половиной голограммы (штриховые линии), однако изображение при этом формируется меньшим количеством лучей.

Структура голо­ граммы зависит от способа формиро­ вания предметной и опорной волн и от способа записи интерференционной кар­ тины. Предмет освещается пучком когерентного света, рассеянная им световая волна, несущая информацию о предмете, падает на фотопластинку, освещаемую опорным пучком. В за­ висимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптических элементов между ни­ ми, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы пли сфокусировав на неё (рис. 7, а), то амплитудно- фазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости пред, мета (голограмма с ф о к у с и рованного изображения ).

В случае без линзовой Фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рис. 7, д). При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В ре­ зультате структура и свойства голо­ граммы практически такие же, как у фурье-голограммы.

Голограм­ мы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну (рис. 7, в). По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в го­ лограммы Фраунгофера, а с умень­ шением этого расстояния — в голо­ граммы сфокусированных изображений.

Рис.7. Схемы получения голограмм различных типов: а) голограмма сфокусированного изображения; б)голограмма Фраунгофера; в)голограмма Френеля; г)голограмма Фурье; д)безлинзовая фурье – голограмма; 1- предмет; 2- фотопластина; f — фокусное расстояние линзы.

При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система стоя­ чих волн, максимумы которых соот­ ветствуют зонам, в которых интерфери­ рующие волны находятся в одной фазе, а минимумы — в противофазе. Для точечного опорного источника О1 и точечного предмета О2, поверхности максимумов и минимумов представ­ ляют собой систему гиперболоидов вращения (рис. 8). Пространственная ча­ стота v интерференционной структуры (ве­ личина, обратная её периоду) опре­ деляется углом α, под которым сходятся в данной точке световые лучи, исхо­ дящие от опорного источника и пред­ мета: где λ — длина волны. Плоскости, касательные к по­верхности узлов и пучностей в каждой точке пространства, делят пополам угол α.

Рис.8.Пространственная интерференционная структура, образующаяся в случае точечных объекта О1 и источника света О2: I – расположение пластины в схеме Габора; II – в схеме Лейта и Упатниекса; III – при записи голограммы на встречных пучках; IV – при записи безлинзовой фурье – голограммы.

В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голо граммы, угол α близок к нулю и ν минимальна. Осевые голограммы называются также однолучевыми, так как используется один пучок света, часть которого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения,— опорную волну,

В схеме Лейта и Упатниекса коге­рентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (двухлуче вя голограмма). Для двух лучевых голограмм v выше, чем для однолучевых (требуются фотоматериа­лы с более высоким пространств, разрешением). Если опорный и пред­ метный пучок падают на светочувст вительный слой с разных сторон (α

Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из нескольких способов: например, с помощью фазовой или амплитудной модуляции, а иногда одновременно осуществляется и фазовая и амплитудная модуляции.

2.6. Свойства голограмм.

a) Основное свойство голограммы, отличающее её от фотографического снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется лишь распределение амплитуды падающей на неё предмет­ ной световой волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистри­ руется и распределение фазы пред­ метной волны относительно фазы опор­ ной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голо­ грамме в виде контраста интерфе­ ренционного рельефа, а информация о фазе — в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении опорной волной восста­ навливает копию предметной волны;

b) Свойства голограммы, регистриру­ емой обычно на негативном фотома­ териале, остаются такими же, как в случае позитивной записи — светлым местам объекта соответствуют свет­ лые места восстановленного изобра­ жения, а тёмным — тёмные;

c) В тех случаях, когда при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить всё изображение объекта. Однако мень­ ший участок голограммы восстановит меньший участок волн, фронта, несу­ щего информацию об объекте;

d) Полный интервал яркостей, пе­ редаваемый фотографической пластинкой, как правило, не превышает одного-двух порядков, между тем реальные объ­ екты часто имеют гораздо большие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими свойствами, используется для построения наиболее ярких участков изображения весь свет, падающий на всю её поверх­ность, и она способна передать гра­ дации яркости до пяти-шести поряд­ ков;

e) Если при восстановлении волнового фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относи­ тельно голограммы так же, как и при её экспонировании, то восстановлен ное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предме том;

2.7. Источники света в голографии, регистрирующие материалы.

Источники света в голографии дол­жны создавать когерентное излучение достаточно большой яркости. Вре­ менная когерентность определяет макс, разность хода между предмет­ным и опорным пучками, допустимую без уменьшения контраста интерфе­ ренционной структуры. Эта величина определяется шириной спектральной линии излучения: . Пространственная когерентность излучения определяет способность создавать контрастную интерференционную картину световыми вол­ нами, испущенными источником в разных направлениях.

Лазерное излучение обладает вы­ сокой пространственной и временной когерент­ ностью при огромной мощности из­ лучения. Для голограмм стационарных объ­ ектов обычно используются лазеры непрерывного излучения, генерирую­ щие в одной поперечной моде, в част­ ности гелий-неоновый лазер (Å) и аргоновый (Å, Å).

Голограммы предъявляет к регистрирующим материалам ряд требований, из которых важнейшее — достаточно высокая раз­ решающая способность. Максимальная про­ странственная частота структуры реа­ лизуется во встречных пучках (α = 180°). Наиболее подходящий для голограмм фотоматериал — фотопластинки ВРЛ, ЛОИ, ПЭ и фотопленка ФПГВ.

Помимо галогеносеребряных фотома­ териалов, применяют и другие среды, в том числе допускающие многократное по­ вторение цикла запись — стирание, а в некоторых случаях и регистрацию голо­ грамм в реальном времени. К их числу относятся термопластики, халь- когенидные фотохромные стёкла, ди электрические и ПП кристаллы. Голо­ граммы могут также регистрироваться на магнитных плёнках, жидких кристаллах, фотополимерах, фоторезистах, на на­ несённых на подложку слоях метал лов, на хромированной желатине и т. д.

2.8. Применение голографии в медицине.

Записанные на голо­ грамме световые волны при их вос­ становлении создают полную иллюзию существования объекта, неотличимого от оригинала.

Особо интересные и важные перспективы открываются в связи с ультразвуковой голографией. Получив голограмму в ультразвуковых механических волнах, можно восстановить ее видимым светом. Ультразвуковая голография в перспективе может быть использо­вана в медицине для рассматривания внутренних органов человека с диагностической целью, определения пола внутриутробного ребенка и т. д. Учитывая большую информативность этого метода и существенно меньший вред ультразвука по сравнению с рентгеновс­ким излучением, можно ожидать, что в будущем ультразвуковая голографическая интроскопия заменит традиционную рентгено­диагностику.

Еще одно медико-биологическое приложение голографии связа­но с голографическим микроскопом. Его устройство основано на том, что изображение предмета получается увеличенным, если голограмму, записанную с плоской опорной волной, осветить расходящейся сферической волной.

Кроме этого, голограммы можно использовать для создания объёмных копий произведений искусства, голографических портретов, для исследования дви­ жущихся частиц, капель дождя или тумана, треков ядерных частиц в пузырько­ вых камерах и искровых камерах.

Так же голограмма применяется для хранения и об­работки информации.

Сейчас трудно оценить все возможности применения голографии: кино, телевидение, запоминающие устройства и т. д.

Несомнен­но лишь, что этот метод является одним из величайших изобрете­ний нашего времени.

1. Денисюк голографии –М.:Просвещение, 1978.

2. Островский и ее применение. – М.:Просвещение, 1999.

4. Физический энциклопедический словарь.

4. Контрольные вопросы:

1. Какова история развития голографии?

2. Что называют голографией?

3. Что называют голограммой?

4. Нарисуйте схемы получения и восстановления голограммы.

5. Каковы особенности голограммы плоской волны? Голограммы точки?

6. Назовите основные типы голограмм.

7. Перечислите основные свойства голограмм.

8. Каковы особенности источников света и регистрирующих материалов, применяемых в голографии?

9. Где можно применять голограммы в медицине?

Источник

Голограмма в медицинской книжке

Санитарная книжка

По данным МВД одним из самых популярных видов мошенничества является подделка документов. В целях противодействия данному виду преступной деятельности определённые документы снабжают разными видами переливающихся цветами радуги стикеров с изменяющимся рисунком – голограммами. При изготовлении голограмм используется большое количество технологий, поэтому в зависимости от цели применения голограммы могут иметь разные характеристики – форму, количество степеней защиты, тип основы, фон и пр. А, чтобы визуально отличать подлинник от фальсификата по голограмме, важно знать, где и какой она должна быть.

Личная медицинская книжка обязательна для большого количества работников и представляет она собой официальный документ строгой отчетности. Он не подлежит свободной продаже и защищён от подделок полиграфической продукцией уровня «В». Бланк медкнижки имеет такие особые технические характеристики, как например, бумага с водяным знаком ограниченного распространения, без фонового свечения и с защитными волокнами разного цвета. Каждая страничка медкнижки пронумерована и имеет численные символы красного цвета. Но достаточно ли этого, чтобы считать ЛМК подлинной? В особенности, нужна ли голограмма в этом документе или нет? Спешим ответить – в медицинской книжке голограмма должна быть обязательно и даже не одна!

Что такое голограмма в медицинской книжке?

Бланк личной медицинской книжки для работников отдельных профессий, производств и организаций, деятельность которых связана с производством, хранением, транспортировкой и реализацией пищевых продуктов и питьевой воды, воспитанием и обучением детей, коммунальным и бытовым обслуживанием населения подлежит голографированию в соответствии с Приказом Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека от 20 мая 2005 года № 402 «О личной медицинской книжке и санитарном паспорте».

Голограммы в медицинской книжке – это бланочная продукция, представляющая собой голографические защитные знаки в форме марок и клейкой плёнки для ламинирования.

При оформлении ЛМК на 2 страницу бланка вклеивается фотография владельца документа. Частично поверх неё в отмеченную пунктиром область с подписью «место под круглую голограмму» вклеивается голографическая круглая марка диаметром 21 мм.

Вторая марка вклеивается на 28 страницу бланка в раздел «Профессиональная гигиеническая подготовка и аттестация», там в графе «Голограмма» для знака отведено место. Эта голографическая марка уже имеет квадратный вид и размер 21х21 мм.

Оба дополнительных защитных элемента красного цвета имеют в центре изображение герба Российской Федерации, а при повороте на 90 градусов на фоне медицинского креста возникает логотип санитарно-эпидемиологической службы (СЭС). Также по окружности голограмм имеется надпись «Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека». Дизайном голограмм предусмотрены контурные и скрытые изображения с микроэффектом их смены, а также микротекст с разной высотой в микронах.

Между 2 и 3 страницей бланка ЛМК в типографии вшивается голографический ламинат. В отличие от марок он имеет довольно большую площадь, но не выходит за границы страниц самого бланка. Выглядит ламинат, как прозрачная голограмма без металлизированного слоя. Он наносится поверх 3 страницы ЛМК, содержащей сведения о владельце медицинской книжки, и защищает информацию от внесения изменений, не снижая при этом её читаемости. При повороте заклеенной страницы становится отчётливо заметно голографическое изображение, соответствующее изображению, нанесённому методом тиснения золотой фольгой на лицевой стороне, обложки бланка.

Голограмма в медицинской книжке: срок действия

Учитывая то, что результаты обязательного медосмотра (предварительного или периодического) имеют определённый срок годности, актуальность приобретает и вопрос о том, сколько действует голограмма в медицинской книжке?

Круглая голографическая марка вклеивается в ЛМК 1 раз и действительна она столько, сколько будет использоваться и сам бланк. Квадратная голографическая марка свидетельствует об аттестации работника по итогам профессиональной гигиеничной подготовки (гигиенического воспитания и обучения). Периодичность аттестации установлена Приказом Минздрава РФ №229 «О профессиональной гигиенической подготовке и аттестации должностных лиц и работников организаций»:

Сколько стоит медицинская книжка с голограммой?

Голограммы в медицинской книжке появляются в процессе оформления документа и не оплачиваются отдельно. Стоимость ЛМК разная и определяется индивидуально с учётом количества необходимых врачебных осмотров, анализов и функциональных исследований, проводимых в отношении работника. Кроме того, на конечную стоимость влияет не только объём обследования, но и цена услуг на проведение медосмотра в выбранном учреждении здравоохранения.

Где в СПб поставить голограмму в медицинской книжке?

Медицинский центр «ОМЕД» приглашает работников всех сфер деятельности, организаций и производств оформить и продлить медкнижку с соответствующими голографическими защитными знаками. Обратившись к нам, вы не только быстро получите нужный документ, но и будете уверены в его официальности. Каждая услуга нашего медцентра оказывается на основании государственной лицензии и со знанием всех норм закона.

Уточнить информацию об интересующей вас услуге можно по телефонам на сайте. Ждём вас по адресу в Фрунзенском районе СПб: ул. Бухарестская, 74 (ст. м. «Международная»).

Источник