تکنیک‌های نجومی برای تصویربرداری پزشکی با وضوح بیش‌تر

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۵ مه ۲۰۲۳
لینک منبع: Wavefront Shaping: Astronomical Techniques for Clearer Medical Imaging

محققان Caltech با تطبیق تکنیک‌های شکل‌دهی جبهه موج از ستاره‌شناسی برای مقابله با اعوجاج ناشی از بافت بیولوژیکی، تصویربرداری پزشکی را پیشرفته کرده‌اند. این تیم با استفاده از یک کریستال انکساری عکس «آینه جادویی» به سرعت بالا، افزایش انرژی و درجات کنترل بالای آزادی دست یافتند که به‌طور بالقوه تشخیص سرطان زیر پوست را بهبود می‌بخشد.

محققان دپارتمان مهندسی پزشکی اندرو و پگی چرنگ Caltech با الهام گرفتن از حوزه نجوم گام بزرگی در تصویربرداری پزشکی برداشته‌اند.

مقاله‌ای که این تحقیق را توصیف می‌کند اخیراً درNature Photonics منتشر شده‌است و عنوان آن «شکل دهی جبهه موج با بهره بالا و سرعت بالا از طریق رسانه‌های پراکنده» است.

در نجوم، نوری که به تلسکوپ‌ها می‌رسد توسط جو زمین تحریف می‌شود و در نتیجه تصاویری تار از سیارات، ماهواره‌ها و سایر اجرام کیهانی ایجاد می‌شود. جو زمین چیزی است که به‌عنوان یک محیط پراکنده شناخته می‌شود. نور را پراکنده می‌کند و باعث می‌شود تصاویر بدون تمرکز و ابری به نظر برسند. شکل‌دهی جبهه موج روشی برای تولید نور متمرکز با معکوس کردن اعوجاج نوری ناشی از جو است. در این روش، یک وسیله بازتابنده، مانند یک آینه، امواج نور را برای متعادل کردن اعوجاج «شکل می‌دهد». این شبیه به فردی است که از هدفون حذف نویز فعال برای مبارزه با صدای محیط استفاده می‌کند.

بافت بیولوژیکی نیز یک محیط پراکنده است. حرکت خون، حرکت تنفس و پمپاژ مداوم قلب هنگام گرفتن تصاویر میکروسکوپی از رگ‌های خونی، اعصاب و حتی سلول‌های سرطانی باعث ایجاد اعوجاج یا کدر شدن سریع می‌شود. همان‌طور که یک ستاره‌شناس ممکن است از شکل‌دهی جبهه موج برای خنثی کردن اعوجاج ناشی از جو زمین استفاده کند، محققان مهندسی پزشکی استفاده از شکل دادن به جبهه موج را برای خنثی کردن اعوجاج ناشی از بافت بیولوژیکی بررسی کرده‌اند.

هنگامی که نور از یک محیط پراکنده مانند یک تکه بافت عبور می‌کند، به سادگی در سراسر مکان پخش می‌شود. لیهونگ وانگ، پروفسور مهندسی پزشکی و مهندسی برق برن و نویسنده مسئول مقاله می‌گوید این بدان معناست که ما نمی‌توانیم مستقیماً نور را در عمق بافت متمرکز کنیم. «پراکندگی اثر تجمعی دارد. هر چه فوتون‌های پراکنده بیش‌تری از آن عبور کنند، اعوجاج بیش‌تری را می‌بینیم. از طریق استفاده از شکل‌دهی جبهه موج، می‌توانیم اثر پراکندگی را کاهش دهیم و عمیق‌تر روی بافت بیولوژیکی تمرکز کنیم.»

آزمایشگاه وانگ از یک کریستال انکسار عکس استفاده می‌کند تا به‌عنوان یک «آینه جادویی» عمل کند که اعوجاج نور ناشی از بافت را خنثی می‌کند.

این روند به این صورت است: اگر به یک آینه استاندارد حمام خیره شوید، تصویری واضح و بدون تحریف از خود خواهید دید. یک بطری شیشه‌ای را بین خود و آینه کنار چشم خود نگه دارید و تصویری مبهم و تار از خود خواهید دید. این به این دلیل است که بطری امواج نور را در مسیر رسیدن به آینه و در راه بازگشت از آینه به چشمان شما منحرف می‌کند. «جادو» در «آینه جادویی» توانایی حفظ شکل موج (به نام جبهه موج) با معکوس کردن اعوجاجی است که متحمل شده‌است. به عبارت دیگر، نور برگشتی هم در راه رسیدن به آینه و هم در سفر برگشت به سمت شما اعوجاج یکسانی را تجربه می‌کند، اما معکوس می‌شود و باعث می‌شود که اعوجاج خودش را از بین ببرد. وقتی آن جبهه‌های موج دوباره از داخل بطری عبور می‌کنند، نتیجه تصویر واضحی از خودتان است که گویی بطری آنجا نبوده است.

با این حال، استفاده از شکل‌دهی جبهه موج برای گرفتن تصاویر واضح‌تر از بافت بیولوژیکی باید سه معیار کلیدی را برآورده کند. روش‌های قبلی نتوانسته است هر سه مورد را برآورده کند.

اولین معیار کلیدی سرعت است. از آنجایی که بافت بیولوژیکی زنده و متحرک است، کل فرآیند شکل‌دهی جبهه موج باید در عرض یک میلی‌ثانیه انجام شود. وانگ که هم‌چنین صندلی رهبری مهندسی پزشکی اندرو و پگی چرنگ است، می‌گوید: «فقط زمانی که در طول فرآیند معکوس زمانی، یک شی را در همان حالت در یک مکان داشته باشید، می‌توانیم اعوجاج جبهه موج را لغو کنیم.»

دومین معیار کلیدی به اصطلاح «درجات کنترل آزادی» است. به جای یک آینه معمولی که ممکن است از آن برای لباس پوشیدن در صبح استفاده کنید، «آینه جادویی» که در شکل دادن به جبهه موج استفاده می‌شود از بسیاری از پنل‌های کوچک آینه تشکیل شده‌است. هر چه تعداد پانل‌ها بیش‌تر باشد، محققان باید امواج نور را تنظیم و شکل دهند تا اعوجاج را از بین ببرند.

سومین معیار کلیدی و چالش‌برانگیزترین معیار برای وانگ و تیم، روشنایی یا بازتاب‌پذیری آینه است -به اصطلاح «افزایش انرژی». با استفاده از «آینه جادویی» که در شکل‌دهی جبهه موج با سرعت بالا با درجه‌های آزادی کنترل بالا استفاده می‌شود، انعکاس‌پذیری اغلب آنقدر کم‌نور است که نمی‌تواند موثر باشد. تیم تحقیقاتی راه‌حلی برای چگونگی تولید لیزر پیدا کردند.

هنگامی که امواج نور از ماده‌ای با خواصی عبور می‌کنند که به آن اجازه می‌دهد نور را تقویت کند -که به آن محیط افزایش نیز می‌گویند- الکترون‌ها در محیط بهره انرژی را به شکل نور اضافی آزاد می‌کنند. این فرآیند امواج نور را تقویت می‌کند و نوری معروف به لیزر را تشکیل می‌دهد که در یک خط مستقیم حرکت می‌کند. به‌طور مشابه، یک محیط افزایش لیزری برای تقویت امواج نور پراکنده که به آینه جادویی رسیده و منعکس می‌شوند استفاده می‌شود. «از نظر استعاری، این وسیله به دست آوردن به ما اجازه می‌دهد تا آینه جادویی را درخشان‌تر کنیم. وانگ می‌گوید، به اصطلاح آینه را جلا می‌دهد. خود آینه جادویی ثابت می‌ماند در حالی که نور در حال حرکت به آینه و برگشت آن تقویت و روشن‌تر می‌شود.

در نجوم، شکل دادن جبهه موج می‌تواند یک حباب فازی را به تصویر واضح‌تری از یک سیاره دور تبدیل کند. این فرآیند جدید شکل‌دهی جبهه موج پزشکی که به مهندسی پزشکی ترجمه شده‌است، پتانسیل تمرکز شدید روی بافت برای تشخیص سرطان زیر پوست را دارد.

ما این تکنیک را گزارش می‌دهیم که به‌طور هم‌زمان به سرعت بالا و بهره انرژی بالا -که به معنای بازتاب بالا- و درجات کنترل بالایی از آزادی است، می‌رسد. وانگ می‌گوید این بدان معناست که هر سه معیار برای اولین بار برآورده شده‌اند. «این یک گام بزرگ به جلو است.»

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات تکنولوژی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.