يمثل التشتت البصري مشكلة حقيقية للتصوير البيولوجي. من خلال منع الضوء من التركيز بعمق في الأنسجة البيولوجية، فإن تأثيرات التشتت تحد من عمق التصوير إلى حوالي 100 ميكرون، مما ينتج عنه صورًا غير واضحة فقط. يمكن لتقنية جديدة تسمى الفحص المجهري البصري المقاص بالموجات فوق الصوتية أن تزيد هذه المسافة بأكثر من ستة أضعاف، وذلك بفضل الخطوة غير البديهية إلى حد ما المتمثلة في إدخال طبقة من الفقاعات الغازية في المنطقة التي يتم تصويرها. تضمن إضافة طبقة الفقاعة هذه عدم انحراف الفوتونات أثناء انتشارها عبر العينة.
يحدث التشتت البصري عندما يتفاعل الضوء مع هياكل أصغر من طول موجته. يتسبب الضوء الساقط في اضطراب الإلكترونات في البنية، مما يشكل عزومًا ثنائية القطب متذبذبة تعيد انبعاث الضوء في العديد من الاتجاهات المختلفة.
"تُستخدم تقنيات مثل الفحص المجهري متحد البؤر على نطاق واسع في أبحاث علوم الحياة مثل السرطان وتصوير أنسجة المخ، ولكنها محدودة بسبب هذه المشكلة"، يوضح ذلك. جين هو تشانغ في DGIST (معهد دايجو جيونجبوك للعلوم والتكنولوجيا) في كوريا. "إن محدودية عمق التصوير ترجع بشكل أساسي إلى انحراف الفوتونات الساقطة بشدة عن اتجاهات انتشارها الأصلية نتيجة للتشتت البصري. وفي الواقع، فإن عدد الفوتونات غير المتناثرة يتناقص بشكل كبير مع المسافة التي تقطعها الفوتونات، لذلك لا يمكن للضوء أن يركز بشكل محكم بعد عمق حوالي 100 ميكرون.
وفي حين طور الباحثون أنواعًا مختلفة من تقنيات تشكيل واجهة الموجة الضوئية لمعالجة هذا القيد، إلا أنه لا يمكن استخدام أي منها لالتقاط صور ثلاثية الأبعاد. وتتطلب هذه التقنيات الأخرى أيضًا وحدات بصرية عالية الأداء وأنظمة بصرية متطورة.
لا يوجد تشتت بصري في سحابة الفقاعة
في أحدث عمل، طور تشانغ وزملاؤه نهجًا جديدًا يستخدمون فيه الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة لتوليد فقاعات غازية في حجم الأنسجة الموجودة أمام مستوى التصوير. ولمنع الفقاعات من الانهيار وربما إتلاف الأنسجة، أرسل الباحثون موجات فوق صوتية منخفضة الكثافة بشكل مستمر أثناء عملية التصوير بالمجهر الماسح بالليزر، وحافظوا على تدفق مستمر للفقاعات طوال الوقت. ووجدوا أنه عندما يكون تركيز فقاعات الغاز في الحجم أعلى من 90%، فإن الفوتونات الناتجة عن التصوير بالليزر لا تتعرض لأي تشتت بصري داخل منطقة فقاعة الغاز (التي يطلق عليها اسم "السحابة الفقاعية"). وذلك لأن فقاعات الغاز المتكونة مؤقتًا تقلل من التشتت البصري في نفس اتجاه انتشار الضوء الساقط، وبالتالي تزيد من عمق اختراقه.
يقول تشانغ: "ونتيجة لذلك، يمكن تركيز الليزر بإحكام على مستوى التصوير، وبعد ذلك لا يستطيع الفحص المجهري التقليدي للمسح بالليزر الحصول على صور واضحة". عالم الفيزياء. "تشبه هذه الظاهرة التطهير البصري المعتمد على العوامل الكيميائية، لذلك قمنا بتسمية نهجنا المجهري للمسح البصري المستحث بالموجات فوق الصوتية (US-OCM)."
على عكس طرق المقاصة البصرية التقليدية، يمكن لـ UC-OCM تحديد موقع المقاصة البصرية في المنطقة محل الاهتمام واستعادة الخصائص البصرية الأصلية إلى المنطقة بمجرد إيقاف تشغيل تدفق الفقاعة. وهذا يعني أن هذه التقنية يجب أن تكون غير ضارة للأنسجة الحية.
وفقا للباحثين، الذين قدموا تفاصيل عملهم في الطبيعة الضوئيات، الميزة الرئيسية لـ US-OCM هي: زيادة في عمق التصوير بعامل يزيد عن ستة مع دقة مشابهة لدقة الفحص المجهري بالليزر التقليدي؛ الحصول بسرعة على بيانات الصورة وإعادة بناء الصورة (يلزم 125 مللي ثانية فقط لصورة إطارية واحدة تتكون من 403 × 403 بكسل)؛ وسهولة الحصول على صور ثلاثية الأبعاد.
وهذا ليس كل شيء: فقد أشار الفريق إلى أن تطبيق الطريقة الجديدة لا يتطلب سوى إضافة وحدة صوتية بسيطة نسبيًا (محول طاقة بالموجات فوق الصوتية ونظام تشغيل محول الطاقة) إلى إعداد الفحص المجهري التقليدي للمسح بالليزر. يمكن أيضًا توسيع هذه التقنية لتشمل تقنيات الفحص المجهري الماسح بالليزر الأخرى مثل الفحص المجهري متعدد الفوتون والمجهر الضوئي الصوتي.
الموجات فوق الصوتية والضوء من السهل الجمع بينهما
يقول تشانغ: "أنا شخصياً أعتقد أن تطوير التكنولوجيا الهجينة هو أحد اتجاهات البحث الجديدة، ومن السهل نسبيًا الجمع بين الموجات فوق الصوتية والضوء لتحقيق أقصى قدر من المزايا مع تكملة عيوب كل منهما". "لقد عرف الباحثون العاملون في مجال الموجات فوق الصوتية منذ فترة طويلة أن الموجات فوق الصوتية القوية يمكن أن تخلق فقاعات غازية في الأنسجة البيولوجية وأنها يمكن أن تختفي تمامًا دون الإضرار بالأنسجة."
نثر كيركر يحدد موقع الجسيمات بدقة دون ذرية
ظهرت فكرة التجربة خلال المناقشات مع عضو الفريق جاي يون هوانج، وهو متخصص في البصريات في DGIST. كانت الفكرة هي أن فقاعات الغاز المستحثة بالموجات فوق الصوتية يمكن استخدامها كعامل تنظيف بصري إذا تمكنت بطريقة أو بأخرى من إنشاء فقاعات مكتظة بكثافة في المنطقة محل الاهتمام. يوضح تشانغ: "يعتمد المسح البصري التقليدي على حقيقة أن التشتت البصري يكون في حده الأدنى عندما تكون مؤشرات انكسار الضوء المبعثر في الأنسجة متشابهة مع بعضها البعض". "يتم استخدام العوامل الكيميائية لتقليل معامل الانكسار العالي للتشتتات بحيث يقترب من معامل الانكسار للأنسجة نفسها."
وفقًا لفريق DGIST، يمكن استخدام هذه التقنية لتصوير أنسجة المخ عالي الدقة، والتشخيص المبكر لمرض الزهايمر، والتشخيص الدقيق للأنسجة السرطانية بالاشتراك مع تقنية المنظار الداخلي. يقول تشانغ: "أعتقد أيضًا أن المفهوم الأساسي لهذه الدراسة يمكن تطبيقه على العلاجات البصرية، مثل العلاجات الحرارية الضوئية والعلاجات الديناميكية الضوئية لتحسين فعاليتها لأنها تعاني أيضًا من محدودية اختراق الضوء".
