چشم انداز جدید در تصویربرداری پزشکی به روش کوانتوم
چشم انداز جدید در تصویربرداری پزشکی به روش کوانتوم -تکنیک تصویربرداری نوآورانه با الهام از کوانتوم در شرایط کم نور برتر است و چشم اندازهای جدیدی را در تصویربرداری پزشکی و حفاظت از هنر ارائه می دهد.
محققان دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو به همراه همکارانش از دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایالتی اوکلاهاما یک روش تصویربرداری فازی الهام گرفته از کوانتومی را بر اساس اندازه‌گیری‌های همبستگی شدت نور معرفی کرده‌اند که نسبت به نویز فاز قوی است.
روش تصویربرداری جدید می تواند حتی با نور بسیار کم کار کند و می تواند در کاربردهای نوظهور مانند تصویربرداری تداخل سنجی اشعه ایکس و مادون قرمز و تداخل سنجی موج کوانتومی و ماده مفید باشد.
متحول کننده تکنیک های تصویربرداری
مهم نیست که با گوشی هوشمند خود از گربه عکس می گیرید یا با میکروسکوپ پیشرفته از کشت های سلولی تصویری می گیرید، این کار را با اندازه گیری شدت (روشنایی) نور پیکسل به پیکسل انجام می دهید.
نور نه تنها با شدت بلکه با فاز آن مشخص می شود. جالب اینجاست که اگر بتوانید تاخیر فاز نوری را که وارد می‌کنند اندازه‌گیری کنید، اجسام شفاف می‌توانند قابل مشاهده باشند.
میکروسکوپ فاز کنتراست، که فریتز زرنیک برای آن جایزه نوبل را در سال 1953 دریافت کرد، به دلیل امکان به دست آوردن تصاویر با وضوح بالا از نمونه های مختلف شفاف و نازک نوری، انقلابی در تصویربرداری زیست پزشکی ایجاد کرد.
زمینه تحقیقاتی که از کشف Zernike پدید آمد شامل تکنیک های تصویربرداری مدرن مانند هولوگرافی دیجیتال و تصویربرداری فاز کمی است.
دکتر Radek Lapkiewicz، رئیس آزمایشگاه تصویربرداری کوانتومی در دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو، توضیح می‌دهد: «این ویژگی‌های بدون برچسب و کمی نمونه‌های زنده مانند کشت‌های سلولی را قادر می‌سازد و می‌تواند کاربردهایی در نوروبیولوژی یا تحقیقات سرطان پیدا کند.
تصویربرداری فاز مقاوم در برابر نویز با همبستگی شدت
چالش ها و نوآوری ها در تصویربرداری فازی
با این حال، هنوز جای پیشرفت وجود دارد. به عنوان مثال، تداخل سنجی، یک روش اندازه گیری استاندارد برای اندازه گیری ضخامت دقیق در هر نقطه از جسم مورد بررسی، تنها زمانی کار می کند که سیستم پایدار باشد و در معرض هیچ گونه شوک یا اختلالی قرار نگیرد.
یرزی سونیوچ، دانشجوی دکترا در دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو، توضیح می دهد که انجام چنین آزمایشی، به عنوان مثال، در یک ماشین در حال حرکت یا روی میز لرزان، بسیار چالش برانگیز است.
محققان دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو به همراه همکارانش از دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایالتی اوکلاهاما تصمیم گرفتند با این مشکل مقابله کنند و روش جدیدی برای تصویربرداری فاز ایجاد کنند که در برابر بی ثباتی فاز مصون است.
نتایج تحقیقات آنها در مجله معتبر Science Advances منتشر شده است .
بازگشت به مدرسه قدیمی
محققان چگونه به ایده این تکنیک جدید رسیدند؟ قبلاً در دهه 60 لئونارد مندل و گروهش نشان دادند که حتی زمانی که شدت تداخل قابل تشخیص نباشد، همبستگی ها می توانند حضور آن را آشکار کنند.
دکتر Lapkiewicz توضیح می‌دهد: «با الهام از آزمایش‌های کلاسیک مندل، می‌خواستیم بررسی کنیم که چگونه اندازه‌گیری‌های همبستگی شدت می‌تواند برای تصویربرداری فاز استفاده شود».
در یک اندازه گیری همبستگی، ما به جفت پیکسل ها نگاه می کنیم و مشاهده می کنیم که آیا آنها همزمان روشن تر یا تیره تر می شوند.
ما نشان داده‌ایم که چنین اندازه‌گیری‌هایی حاوی اطلاعات اضافی هستند که با استفاده از یک عکس نمی‌توان به دست آورد، یعنی اندازه‌گیری شدت.
با استفاده از این واقعیت، ما نشان دادیم که در میکروسکوپ فاز مبتنی بر تداخل، مشاهدات ممکن است حتی زمانی که تداخل‌نگارهای استاندارد به طور میانگین تمام اطلاعات فاز را از دست می‌دهند و هیچ حاشیه‌ای در شدت ثبت نشده است.
“با یک رویکرد استاندارد، می توان فرض کرد که هیچ اطلاعات مفیدی در چنین تصویری وجود ندارد.
با این حال، معلوم می‌شود که اطلاعات در همبستگی‌ها پنهان است و می‌توان با تجزیه و تحلیل چندین عکس مستقل از یک شی، آن را بازیابی کرد که به ما امکان می‌دهد تداخل‌گرام‌های کاملی را بدست آوریم، حتی اگر تداخل معمولی به دلیل نویز غیرقابل تشخیص باشد.»
در آزمایش ما، نوری که از یک جسم فاز (هدف ما، که می‌خواهیم آن را بررسی کنیم) عبور می‌کند با یک نور مرجع روی هم قرار می‌گیرد.
یک تاخیر فاز تصادفی بین پرتوهای نور شی و مرجع ایجاد می‌شود – این تاخیر فاز اختلالی را شبیه‌سازی می‌کند که روش‌های تصویربرداری فاز استاندارد را مسدود می‌کند.
«در نتیجه، هنگام اندازه‌گیری شدت، هیچ تداخلی مشاهده نمی‌شود، یعنی هیچ اطلاعاتی در مورد جسم فاز از اندازه‌گیری‌های شدت به‌دست نمی‌آید.
با این حال، همبستگی شدت-شدت وابسته به فضایی یک الگوی حاشیه ای را نشان می دهد که حاوی اطلاعات کامل در مورد شی فاز است.
این همبستگی شدت-شدت تحت تأثیر هیچ نویز فاز زمانی که کمتر از سرعت آشکارساز است (حدود 10 نانوثانیه در آزمایش انجام شده) تحت تأثیر قرار نمی گیرد و می تواند با جمع آوری داده ها در یک دوره زمانی دلخواه اندازه گیری شود – که یک تغییر دهنده بازی است.
نویسنده اول این کار توضیح می دهد: اندازه گیری طولانی تر به معنای فوتون های بیشتر است که به دقت بالاتر ترجمه می شود.
به زبان ساده، اگر بخواهیم یک فریم فیلم را ضبط کنیم، آن فریم اطلاعات مفیدی در مورد ظاهر شی مورد مطالعه به ما نمی دهد.
بنابراین، ابتدا یک سری کامل از این قاب ها را با استفاده از دوربین ضبط کردیم و سپس مقادیر اندازه گیری را در هر جفت نقطه از هر فریم ضرب کردیم.
ما این همبستگی ها را میانگین گرفتیم و تصویر کاملی از جسم خود ثبت کردیم.
راه‌های ممکن زیادی برای بازیابی نمایه فاز یک شی مشاهده‌شده از توالی تصاویر وجود دارد.
با این حال، ما ثابت کردیم که روش ما بر اساس همبستگی شدت-شدت و به اصطلاح تکنیک هولوگرافی خارج از محور، دقت بازسازی بهینه ای را ارائه می دهد.» استانیسلاو کوردزیالک، نویسنده دوم مقاله می گوید.
چشم انداز جدید در تصویربرداری پزشکی به روش کوانتوم
ایده ای روشن برای محیط های تاریک
یک رویکرد تصویربرداری فاز مبتنی بر همبستگی شدت می تواند به طور گسترده در محیط های بسیار پر سر و صدا استفاده شود.
روش جدید با نور کلاسیک (لیزر و حرارتی) و کوانتومی کار می کند. همچنین می توان آن را در رژیم شمارش فوتون ، به عنوان مثال با استفاده از دیودهای بهمن تک فوتونی، پیاده سازی کرد.
Jerzy Szuniewicz توضیح می‌دهد: «ما می‌توانیم از آن در مواردی استفاده کنیم که نور کمی در دسترس است یا زمانی که نمی‌توانیم از شدت نور بالا استفاده کنیم تا به جسم آسیب نرسانیم، مثلاً یک نمونه بیولوژیکی ظریف یا یک اثر هنری».
دکتر Lapkiewicz نتیجه گیری می کند: “تکنیک ما چشم انداز اندازه گیری های فازی، از جمله کاربردهای نوظهور مانند تصویربرداری مادون قرمز و اشعه ایکس و تداخل سنجی موج کوانتومی و ماده را گسترش می دهد.”
