Aplicatii ale holografiei in medicinaCe este holografia:Tehnica
holografic are la baz fenomenele de difrac ie i interferen . n
holografie, este nregistrat figura de interferen a undelor optice
reflectate sau transmise printr-un obiect cu o und de referin .
Lumina mpr tiat pe un obiect este nregistrat i apoi utilizat pentru
reconstruc ia obiectului ca i cum obiectul nsu i sar afla n acel
loc. Tehnica holografiei este utilizat mai ales pentru stocarea
optic , redarea i prelucrarea informa iei. Aceast tehnic a fost
inventat n 1947 de fizicianul ungur, n scut n Marea Britanie,
Dennis Gabor (1900-1979) laureat al premiului Nobel pentru fizic
abia n anul 1971 cnd metoda sa a fost aplicat utilizndu-se sursele
laser. Metoda de nregistrare i redare a unei holograme a fost
descoperit n cadrul cercet rilor f cute pentru mbun t irea func ion
rii microscopului electronic la Compania British Thomson Houston.
Metoda se utilizeaz i azi n microscopia electronic i poart numele
holografie electronic . Holografia optic a fost pus la punct ca
tehnic abia dup construirea laserilor, adic dup anul 1960. n
holografie se utilizeaz o surs laser deoarece aceasta este
monocromatic (emite o band foarte ngust de frecven e, adic o singur
culoare). Imaginea tridimensional este nregistrat pe o plac
fotografic sub forma unei holograme. Diferen a dintre o fotografie
bidimensional a unui obiect tridimensional i o hologram este c
fotografia con ine doar informa ia din amplitudinea cmpului
electric al undei (descompunerea bromurii de argint depus pe placa
fotografic este propor ional cu energia undei luminoase adic cu
modulul p trat al vectorului intensitate cmp electric, n care se
pierde informa ia din faza vectorului intensitate cmp electric) n
timp ce o hologram con ine i informa ia din faza undei. Primele
holograme n care s-au nregistrat obiecte tridimensionale au fost
realizate n anul 1962 de c tre Yuri Denisyuk n URSS i de c tre
Emmett Leith i Juris Upatnieks la Universitatea din Michigan, SUA.
Cuvntul de hologram provine din dou cuvinte din limba greac : holos
(ntreg) i gramma (fotografie). O hologram are aspectul unei re ele
de difrac ie. Informa ia con inut ntr-o hologram nu depinde de
suprafa a acesteia. O suprafa foarte mic con ine ntreaga informa ie
care se repet pe suprafa a hologramei. n figura 1. sunt
reprezentate cele dou etape: nregistrarea i redarea imaginii prin
holografie. Pentru a ob ine o hologram fasciculul laser este
divizat n dou fascicule. Unul din acestea este reflectat pe obiect
de unde ajunge pe filmul pe care se nregistreaz holograma, iar cel
lalt fascicul este trimis direct pe filmul de nregistrare
(fasciculul de referin ). Prin interferen a fasciculului mpr tiat
pe obiect i a fasciculului de referin se ob ine o figur cu linii
microscopice luminoase alternate cu linii ntunecoase. Figura este
nregistrat pe film ob inndu-se o hologram . Pentru a reda imaginea
nregistrat pe o hologram trebuie s develop m filmul i apoi s -l a
ez m n pozi ia original i s -l ilumin m doar cu un fascicul laser
direct cu acelea i propriet i cu cel cu care am
nregistrat holograma. Figura de interferen holografic nregistrat
va difracta fasciculul laser care traverseaz holograma i astfel se
reconstruie te imaginea obiectului. Imaginea ob inut are toate
dimensiunile obiectului original i pare att de real nct
observatorul este tentat s o ating cu mna, dar acesta ntlne te doar
un fascicul de lumin focalizat. Spre deosebire de o fotografie sau
o pictur , o hologram poate reda un subiect cu o fidelitate
dimensional total . O hologram creeaz tot ceea ce vede ochiul:
adncime, dimensiune, form , textur i pozi ie relativ . Pe acela i
film holografic se pot nregistra simultan imaginile mai multor
obiecte. Exist dou tipuri de holograme dup modul de iluminare prin:
(a) reflexie ca n cazul observ rii unei fotografii sau a unui
tablou atrnat pe perete (fig. XI.1) i prin (b) transmisie
Fig.1. nregistrarea i reconstruc ia unei holograme prin
reflexive
Holografia in medicina:Aplicatia hologramelor sau imaginilor
holografice in lumea practicii medicinale este un domeniu nou i n
cre tere. O holograma este o imagine tridimensional formata cu
interferen e de lumin . Pn n prezent, tiin a holografica a fost
implementata frecvent pe zonele de m iestrie, de promovare, de
recreere i de securitate. Cu toate acestea, amploarea i sfera de
aplicare a utilizari de tehnologie holografic se extinde. Exist o
extraordinar ansa de cre tere a tehnologiei holografice n mai multe
domenii noi care ncorporeaz : p strarea datelor si lectura,
examinarea materialelor , inteligenta artificiala, c l toria,
medicina, fabrica ia etc Un domeniu major de cre tere pentru
utilizarea de cercetare holografic este n domeniul medical de
ngrijire. Este foarte probabil ca mai devreme sau mai trziu,
tehnologia holografic sa fie utilizata pentru diagnostic medical,
instruire, de vindecare i investigare. Holografia a fost deja
folosita n diverse domenii ale medicinei. Tehnici de holografice au
fost aplicate pe scar larg cu succes pentru studiul diferitor p r i
ale corpului uman, inclusiv corneei, membrana timpanic , membrana
bazilar , mobilitatea dintilor, cohleea, os temporal, piept,
craniul, oase etc Exist diverse motive, care fac folosirea tehnicii
holografice populara n domeniul medicinei. Ele sunt dup cum urmeaz
: Holografia medicala permite imagistica tridimensionala a
structurilor interne ale corpului pentru diagnostic i planificare
chirurgicala. Holografia medicala permite o rezolutie inalta. Se
ofer asisten n tratamentul bolii i a leziunilor. n domeniul
imagisticii biomedicale, HoloTomografia (HT) este crearea, precum i
interpretarea de ilustra ii tridimensionale pentru vindecare.
Medicina de baza HT presupune ilustra ii fixe generate de
instrumentele din vizualizare conven ionala, cum ar fi: -
tomografia computerizata (CT) - Imagistica prin rezonan magnetic
(IRM) i - tomografia cu emisie de pozitroni (PET). Holotomografia
medicala avansata implic ilustratii tridimensionale cu r spuns in
dou sensuri de la instrumente specializate in imagini holografice.
Vizualizarea holografica asigur o vedere clar a obiectelor
ncorporate n materiale refractare iluminare, cum ar fi lichid
vascos esut sau organ. Acesta este motivul pentru care face o
modalitate de vizualizare excelent pentru biomedicina.
Interferogramele holografice sunt utilizate n holografie medicala.
Exist holografie cu impulsuri temporale consemnate. Avem, de
asemenea holografie endoscopic n tiin a medical .
Tipuri de medicina holografica:Holografia cu raze X: Acest tip
poate examina probele n solu ie apoas cu rezolu ie foarte mare. Nu
este necesara prepararea probelor deoarece rezulta alternan e
structurale. Holografia endoscopica : Acest tip de holografie
medicala ofer un instrument puternic pentr imagini 3D non contact
cu rezolutie mare i m sur tori nedistructive ale unor cavit i
naturale din n interiorul corpului uman. Acesta combin
caracteristicile de endoscopie i holografie. nregistrarea unui mari
adncimi focale 3D si o imagine de nalt rezolu ie a organelor
interne i a esuturilor mbun t e te major capacitatea de detectare.
Holografia endiscopica a fost folosit cu succes pentru detectarea
precoce a celulelor canceroase din peretele vezicii urinare.
Holografia endoscopica este de dou tipuri: - Holograma este
nregistrat n interiorul endoscopului: O tridimensionalitate
completa a imaginii reconstruite cu paralaxa i o adncime focala
mare . -Holograma utilizeaza un dispozitiv extern de
nregistrare:Este folosit un endoscop conven ional. Sistemul
nregistreaz holograma in afara endoscopului cu ajutorul unui
fascicul extern de referin . Holografie multiplexata pentru
tomografie: Holografia multiplexata este utilizata pentru
vizualizarea completa a tomografiilor tridimensionale. Tehnica este
ideala pentru a face holograme ale c ror imagini au o dimensiune
diferit de obiectul original. Acest tip de holografie medicala este
folosita n aplica ii n care suprafe ele sunt importante, cum ar fi
protezele i chirurgia craniofaciala. Holografie multiplexata este
utilizata n scanarea CT sau RMN. Acesta p streaz adancimea fizica
si paralaxa completa i este, de asemenea, cunoscuta sub numele de
holograma volumetrica multiplexata sau holograma
multiplanmultiplexata. Holografia in ofalmologie:Una din primele
aplicatii ale holografiei in domeniul oftalmologiei a fost
inregistrarea unei imagini tridimensionale a ochiului.Orice
dezlipire de retina sau corp strain poate fi usor
detectat.Holografia medicala poate fi de asemenea aplicata pentru
masurarea topografiei corneei si modificarile lentilelor
cristaline.Este de asemenea utilizata in studiul caracteristicilor
de suprafata ale capului nervului si corneeei.Avantajul major al
tehnologiei holografice il constituie precizia ultra inalta cu care
se fac aceste masuratori si este essentiala pentru o interventie
chirurgic ala la cornee. Holografia in otologie:Exista diverse
tehnici holografice utilizate in studiul urechii.De exemplu: -
Dubla expunere si tehnicile holografice interferometrice sunt
dispositive puternice pentru studierea diferitelor parti ale
organelor umane de auz periferice. - Holografia de timp mediu este
utilizata pentru studierea comportamentului vibratiei partilor
urechii interne cum ar fi cohleea nederulata si membrana bazilara
spiralata . - Este de asemenea folosita pentru a studia analiza
vibratiilor articulatiei incudo-mallare cu fortele aplicate la
muschii urechii interne. Holografia in ortopedie:Holografia ofera
un excellent instrument pentru studierea structurilor
ortopedice.Astfel de studii sunt importante pentru ortosinteza,
pentru a preveni dislocatiile ambelor capete de fractura ,care sunt
cauzate in special de scaderea puterii pinilor de fxare.
Studiul ochiului folosind Holografia acusticaImagistica optica
holografica a unui model de ochi a fost facuta pentru prima data in
1966, dar tocmai in 1970 Calkinsand Leonard a realizat pentru prima
data o holograma optica a unui ochi viu folosind o pisica
anesteziata.
Energia sunetului de inalta frecventa poate fi de asemena
folosita pentru a face holograme prin aplicarea acelorasi principii
folosite in holografia cu energie electromagnetica.Folosirea
ultrasunetelor in imagistica tesuturilor biologice permite
transiluminarea acestor tesuturi si vizualizarea structurii lor
interne. In 1971, Aldridge si colaboratorii lui au folosit un
sistem de scanare cu ultrasunete de tip reflexive pentru a face
holograme acustice ale ochiului.Ei au fost capabili sa vizualizeze
corpuri straine cu dimensiunea intre 1 si 3mm in interiorul unui
ochi uman in vitro. In continuare este prezentat un studiu realizat
de Departamentul de oftalmologie al Universitatii din California.
Scopul acestui studiu este de a investiga in continuare
vizualizarea prin holografie acustica a unui ochi uman in vitro,
folosind tehnici ingineresti mult avansate studiilor anterioare.
Materiale si metode: Lucrarea descrisa aici a fost efectuata pe un
aparat de imagistica cu transmisie ultrasonica folosind holografie
acustica concentrate ca metoda de conversie a imaginii .Acest
sistem este reprezentat schematic in figura 1.
Fig.1.
In acest sistem, un fascicul de 12cm de ultrasunet in impulsuri
, emis la 7MHz a fost folosit pentru a ilumina tesuturile
examinate.Acest fascicul pulsant a fost apoi concentrat pe o
interfata aer/lichid unde s-a creat un model de interferenta sub
forma unor cresteri microscopice la suprafata lichidului, prin
interactiunea cu un fasciul de referinta. Lumina laser coerenta
reflectata de suprafata deformata acustic a fost folosita pentru a
obtine o imagine optica care a putut fi afisata pentru interpretare
fie in forma video fie pe un ecran de sticla mata.Aceste imagini au
putut fi de asemenea, inregistrate video sau fotografic pentru
revizuire si anliza. In acest studiu, ochi umani in vitro au fost
scufundati in rezervorul de imagistica si au fost facute o serie de
fotografii ale acestor imagini de transmisie acustica.Mai intai au
fost examinati ochi normali in aceasta maniera, apoi bucati de
alice de plumb de 4mm si 2mm au fost suspendate in cadrul globului
ocular pe suturi si s-au facut fotografii ale ochilor.In cele din
urma, o bucata de tubulatura de polietilena cu diametrul de 1mm a
fost fotografiat dupa ce a fost introdus in cavitatea vitroasa.
Rezultate: Examinarea globului normal prin aceasta metoda a
evidentiat cu usurinta sclera,nerv optic si lentila (Fig 2).
Fig.2.O constatare accidentala interesanta a fost faptul ca
lentil ochiului poate concentra sunetul.Acest lucru a fost aratat
de diferitele intensitati ale punctului de sunet concentrate atunci
cand ochiul era miscat inainte si inapoi in fasciculul de sunet
(Fig.3).In timp ce ochiul era rotit in fascicul miscarea relativa
diferitelor parti putea fi vazuta fara dificultate.Fenomenul a fost
demonstrat deosebit de bine pe un ochi de autopsie vechi cu lentila
dislocata in care lentila putea fi vazuta rostogolinduse liber dupa
cum ochiul mort era schimbat din pozitie.
Fig.3. Imagine de transmisie cu ultrasunete de 7MHz a unui ochi
normal demonstrand concentrarea ultrasunetelor de catre lentila
ochiului.In Fig A. sunetul este slab concentrat de lentila si prin
urmare formeaza un spot luminos difuz in imaginea lentilei.In
Fig.B. sunetul a fost concentrat intr-ul spot stralucitor miscand
putin ochiul in fasciculul de sunet.
Piese de plumb radioopac de 4mm si 2mm au fost suspendate in
cavitatea vitroasa unde au fost demonstrate fara dificultate.O
bucata de tubulatura de polietilena nonradioopaca de 1mm a fost de
asemenea demonstrata(Fig.5.).
In acest studiu este aratat ce structuri oculare normale pot fi
vizualizate folosind un dispozitiv de imagistica cu transmisie
ultrasonica (in acest caz un holograf acustic) si ca miscrea
relativa a diferitor structuri intraoculare poate fi demonstrata
folosind capacitatile de imagistica in timp real ale acestui
aparat.Este aratat de asemenea ca acest echipament este de natura
sa demonstreze corpuri straine radioopace si nonradioopace in ochi
precum si obiecte cu diametrul de 1mm. Avantajele acestei tehnici
de imagistica spere deoasebire de radiatia X sunt acelea ca
holografia cu ultrasunete produce imagini ale structurilor normale
ale ochiului si ale corpurilor straine nonradioopace.Comparativ cu
alte metode de scanare cu ultrasunete aceasta are avantajul
vizualizarii intregului glob ocular in timp real.
Afisarea bataii inimii folosind holografia multiplexataPrin
aceasta metoda pot fi procesate datele imagistice ale miscarea
inimii intr-un mediu poratbil . Este furnizata o secventa de
imagini ale bataii inimii.Secventele de imagini sunt incorporate in
holograme multiplexate unghiulare astfel incat paralaxa(pozitia
relativa a observatorului si a mediului holografic) codifica bataia
inimii. In acest fel, o schimbare in unghiul de vizualizare a
hologramei printate conduce la perceptia intregului ciclu al
inimii. Folosind aceasta tehnica, se poate incorpora o secventa
temporala completa de imagini ale bataii inimii umane intr-o
singura imagine printabila care poate fi folosita pentru afisare,
stocare, documentare si raport.(Figura.1.) Secventele de imagini
pot fi bucle de imagini bi sau tridimensionale dobandite prin
ecocardiografie ,tomografie, rezonanta magnetica sau alte tehnici
imagistice fezabile. Prin asamblarea a cateva bucle in acelasi set
de date , cap-la cap, se pot compara cu usurinta diferite vederi
ale aceleiasi inimi sau vederi similare ale unor inimi diferite .
Datele postprocesate sunt apoi transferate la statia de lucru
pentru producerea unei stereograme holografiece computationale sau
alternativ holografia optica poate fi folosita pentru a produce o
holograma.Pentru producerea hologramelor ,secventa de
informatii(timpul) este interpretata ca o schimbare a unghiului de
vizualizare in paralaxa verticala. Din acest set de date
pseudo-spatial, o holograma multiplexata unghiular este realizata
folosind tehnici standard de producere a hologramelor.Secventele de
imagini sunt incorporate in holograme multiplexate unghiular astfel
incat paralaxa (pozitia ralativa a observatorului si mediului
holografic) codifica timpul.Sunt cunoscute multe metode care permit
crearea unei holograme folosind multiple
rame.In holografia computationala modelul de franjuri este
computerizat , care ar fi produs de interferenta unui fascicul
leser de referinta cu un fascicul laser care ilumineaza un
obiect.Prin contrast, in holografia optica o holograma este creata
prin creerea unui model de franjuri cu folosirea luminii laser
pantru iluminarea obiectului si ca fascicul de referinta.Mediul
fotosenzitiv este apoi expus la acest model de franjuri pentru a
creea holograma. In rezumat, perceptia miscarii inimii (progresiei
timpului) in holograma rezultanta este reusita prin incorporarea
secventei de timp intr-o paralaxa spatiala, care poate apoi fi
vazuta prin inclinarea hologramei.(Figura 2.) Metoda descrisa face
posibila reducerea unui intreg set de imagini ale bataii inimii
umane la o singura imagine care poate fi folosita pentru
documentare ,stocare sau afisare in ecocardiografie sau alte
tehnici imagistice medicale. Abilitatea holografiei de a reprezenta
multiple dimensiuni, folosita conventional pentru a transmite
spatiul tridimensional , este astfel extinsa sa afiseze miscarea
inimii.Tridimensionalitatea poate fi reprezenntata prin codificarea
ei in alta paralaxa (de obicei lateral) folosind holografia
computerizata.Orice metoda de printare holografica poate fi
folosita pentru printarea hologramei, daca aceasta metoda poate
substitui seturi de date consecutive in timp pentru vizualizarile
din multiple perspective folosite in mod obisnuit. Cand o holograma
este printata pe un mediu poratbil, ca de exemplu o foaie de film
holografic fotopolimer, poate fi folosita pentru a revizui un
studiu in afara centrului medical sau laboratorului de imagistica
holografica, poate fi trimis cu un raport de examen, sau folosit
pentru arhivare in laboratorul de imagistica si in harta
pacientului. Prin secvente de imagini se intelege o serie de seturi
de date sau sau imagini afisand faze consecutive ale ciclului
inimii.Metodele de achizitie includ achizitia rapiada a uneia sau
catorva batai ale inimii ,sau achizitia prin intermediul
electrocardiogramei unui intreg set de date dinamic al mai multor
batai ale inimii.Secventele de imagini pot fi constituite dintr-o
serie de seturi de date digitale sau din imagini analoage (de
exemplu imagine de miscare). Sceventele de imagine inculd seturi de
date multidimensionale continand informatie tridimensionala si de
timp.Pentru a incorpora seturi de date tridimensionale in miscare
intr-un afisaj de miscare cardiaca , setul de date este mai intai
impartit intr-o serie de date statice tridimensionale secventiale
in timp.Apoi fiecare din aceste seturi este redat in volum sau in
suprafata , folosind tehnici standard de imagistica
digitala.Hologramele pot fi multiplexate intr-o paralaxa unghiulara
sau in doua paralaxe perpendiculare.Pentru hologramele care sunt
multiplexate intr-o singura paralaxa, o vedere in perspectiva din
fiecare date 3D statice secventiale in timp mentionate , este
calculata folosind tehnici standard de imagistica
digitala.Frame-urile rezultate sunt incorporate intr-o holograma
multiplexata unghiular dupa
cum este descris anterior.Alternativ, datele 3D in miscare pot
fi folosite pentru a produce holograme care includ timpul intr-o
paralaxa(de obicei verticala) si o dimensiune spatiala aditionala
in alta paralaxa(de obicei laterala).In acest scop, vederile in
perspective multiple pentru fiecare date 3D statice secventiale in
timp sunt redate in volum sau suprafata.Aceste vederi in multiple
perspective sunt folosite pentru a multiplexa holograma
orizontal.Aceasta procedura este repetata cu fiecare set de date
consecutive in paralaxa verticala.Holograma rezultanta va prezenta
o imagine tridimensionala a inimii cand este tinuta dreapta.Cand
holograma este rotita lateral, observatorul vede inima rotindu-se
in jurul axei sale, si cand holograma este inclinata vertical,
observatorul vede miscarea inimii (contractia, inchiderea valvei
etc). De asemena, secventele de imagine includ reprezentari ale
miscarii inimii derivate din secventele mentionate mai sus , care
erau de exemplu postprocesate pentru a spori sau izola
frontierele.
Scanarea holografica a corpului uman prin imagistica CT sau
RMN
In viitorul nu prea indepartat scanarea intregului corp va fi
facuta la toata lumea.Din scanare, o imgine 3D holografica RMN sau
CT a intrgului corp va fi inregistrata pe un disc sau un chip de
memorie, care va fi folosit ca ghid medical pentru doctor sau
chirurg.Un chirurg poate folosi aceasta informatie 3D pentru a
planifica o operatie sau procedura de care este nevoie.Acest disc
poate fi de asemenea folosit pentru compararea unei scanari noi cu
una mai veche , pentru a vedea felul cum a progresat o boala.Pot fi
stocate toate dosarele medicale ale pacientului precum operatii
anterioare, proceduri medicale si tratamente facute in timpul
vietii.Acest tip de holograma va putea fi folosita de doctor pentru
a consulta un alt coleg cu privire la abordarea corecta pentru a
trata o problema medicala, si de asemenea pentru a planifica si
practica o procedura inaintea efectuarii ei pe pacient.
Corpul holografic va fi de asemenea programat sa monitorizeze
biofunctiile critice necesare pentru a stabiliza pacientul in
timpul procedurii chirurgicale sau pentru a alrerta chirurgul in
cazul unei probleme cu semnele vitale ale pacientului. Aplicatiile
holografiei care fac aceasta tehnica populara in domeniul medicinei
sunt:y
y y y
y
y
y y
Holografia medicala permite imagistica tridimensionala a
structurilor interne ale corpului pentru diagnosticare si
planificare chirurgicala. Holografia permite rezolutii inalte.
Ofera asisenta in tratamentul bolilor si al ranilor. In domeniul
imagisticii biomedicale, Holo-tomografia (HT) ,consta in creearea
precum si interpretarea imaginilor tridimensionale .
Holo-tomografia medicala de baza, presupune ilustratii fixe
generate prin tehnici de vizualizare conventionale
precum:Tomografia computerizata, Rezonanta magnetica(RMN),
Tomografie cu emisie de pozitroni. Vizualizarea holografica asigura
o vedere clara a obiectelor incorporate in materiale refractare
iluminate cum ar fi fluidele organice sau tesutul viscos. Exista de
asemenea holografie endoscopica si holografie cu impulsuri
temporale. Generarea de contur holografiaca este folosita in
masuratorile probelor biomedicale.
Biblografie: Ultrasonic transmission holography of the eye.
EDWIN E. BOLDREY, DAVID R. HOLBROOKE, AND VICTOR RICHARDS.
Volumetric multiplexed transmission holography of the heart with
echocardiographic data. Graham Saxby,Practical Holography 2nd
edition 1994. www.wikipedia.org
Aplicatii ale holografiei in medicina
Ungureanu-Iancu Maria
Sirbu Natalia
Grupa 1031B
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea de Stiinta si
Ingineria materialelor
