پراکندگی نوری یک مشکل واقعی برای تصویربرداری بیولوژیکی است. با جلوگیری از متمرکز شدن عمیق نور در بافت بیولوژیکی، اثرات پراکندگی عمق تصویربرداری را به حدود 100 میکرون محدود می‌کند و تنها تصاویر تار را فراتر از آن تولید می‌کند. یک تکنیک جدید به نام میکروسکوپ پاکسازی نوری القا شده با اولتراسوند می تواند این فاصله را بیش از XNUMX برابر افزایش دهد و این به لطف مرحله تا حدی غیرمعمول قرار دادن لایه ای از حباب های گازی در ناحیه مورد تصویربرداری است. افزودن این لایه حباب تضمین می کند که فوتون ها در هنگام انتشار در نمونه منحرف نمی شوند.
پراکندگی نوری زمانی اتفاق می‌افتد که نور با ساختارهای کوچک‌تر از طول موج خود تعامل داشته باشد. نور فرودی الکترون ها را در ساختار مختل می کند و گشتاورهای دوقطبی نوسانی را تشکیل می دهد که نور را در جهات مختلف بازتاب می دهد.
"تکنیک هایی مانند میکروسکوپ کانفوکال به طور گسترده در تحقیقات علوم زیستی مانند سرطان و تصویربرداری بافت مغز استفاده می شود، اما به دلیل این مشکل محدود هستند." جین هو چانگ در DGIST (موسسه علم و فناوری Daegu Gyeongbuk) در کره. محدودیت عمق تصویربرداری عمدتاً به دلیل انحراف شدید فوتون‌های فرود از جهت انتشار اولیه خود در نتیجه پراکندگی نوری است. در واقع، تعداد فوتون‌های غیر پراکنده با مسافت طی شده توسط فوتون‌ها به طور تصاعدی کاهش می‌یابد، بنابراین نور پس از عمق حدود 100 میکرون نمی‌تواند به شدت متمرکز شود.
در حالی که محققان انواع مختلفی از تکنیک های شکل دادن به جبهه موج نور را برای رفع این محدودیت توسعه داده اند، هیچ یک از آنها نمی توانند برای گرفتن تصاویر سه بعدی استفاده شوند. این تکنیک های دیگر همچنین به ماژول های نوری با کارایی بالا و سیستم های اپتیک پیچیده نیاز دارند.
بدون پراکندگی نوری در ابر حباب
در آخرین کار، چانگ و همکارانش رویکرد جدیدی را توسعه دادند که در آن از امواج فراصوت با شدت بالا برای تولید حباب‌های گاز در حجم بافت واقع در جلوی صفحه تصویربرداری استفاده کردند. برای جلوگیری از فروپاشی حباب‌ها و احتمالاً آسیب رساندن به بافت، محققان سونوگرافی با شدت کم را به طور مداوم در طول فرآیند تصویربرداری میکروسکوپ اسکن لیزری مخابره کردند و یک جریان مداوم از حباب‌ها را در سراسر آن حفظ کردند. آنها دریافتند که وقتی غلظت حباب های گاز در حجم بالاتر از 90٪ باشد، فوتون های لیزر تصویربرداری به سختی هیچ گونه پراکندگی نوری را در منطقه حباب گاز (معروف به "ابر حباب") تجربه می کنند. این به این دلیل است که حباب‌های گازی که به‌طور موقت ایجاد می‌شوند، پراکندگی نوری را در همان جهتی که انتشار نور فرودی است، کاهش می‌دهند و در نتیجه عمق نفوذ آن را افزایش می‌دهند.
چانگ می گوید: «در نتیجه، لیزر را می توان به شدت بر روی صفحه تصویربرداری متمرکز کرد، که فراتر از آن، میکروسکوپ اسکن لیزری معمولی نمی تواند تصاویر واضح به دست آورد. دنیای فیزیک. این پدیده مشابه پاکسازی نوری مبتنی بر عوامل شیمیایی است، بنابراین ما رویکرد خود را میکروسکوپ پاکسازی نوری ناشی از فراصوت (US-OCM) نامگذاری کردیم.
برخلاف روش‌های متداول پاکسازی نوری، UC-OCM می‌تواند پاکسازی نوری را در ناحیه مورد نظر محلی‌سازی کند و پس از خاموش شدن شار حباب، خواص نوری اولیه را به منطقه بازگرداند. این بدان معناست که این تکنیک باید برای بافت زنده بی ضرر باشد.
به گفته محققان، که جزئیات کار خود را در طبیعت فوتونیکمزیت اصلی US-OCM عبارتند از: افزایش عمق تصویربرداری با ضریب بیش از شش با وضوح مشابه با میکروسکوپ لیزری معمولی. جمع‌آوری سریع داده‌های تصویر و بازسازی تصویر (فقط 125 میلی‌ثانیه برای یک قاب تصویر متشکل از 403 x 403 پیکسل لازم است). و به راحتی می توان تصاویر سه بعدی را به دست آورد.
و این همه چیز نیست: تیم اشاره می کند که اجرای روش جدید فقط به یک ماژول آکوستیک نسبتا ساده (یک مبدل اولتراسوند منفرد و یک سیستم هدایت کننده مبدل) نیاز دارد تا به یک میکروسکوپ اسکن لیزری معمولی اضافه شود. این تکنیک همچنین می‌تواند به سایر تکنیک‌های میکروسکوپ اسکن لیزری مانند میکروسکوپ چند فوتونی و فوتوآکوستیک گسترش یابد.
اولتراسوند و نور به راحتی ترکیب می شوند
چانگ می‌گوید: «من شخصاً معتقدم که توسعه فناوری هیبریدی یکی از جهت‌گیری‌های جدید تحقیقاتی است، و ترکیب اولتراسوند و نور برای به حداکثر رساندن مزیت‌ها و در عین حال تکمیل معایب یکدیگر نسبتاً آسان است. محققانی که در زمینه سونوگرافی کار می‌کنند مدت‌هاست می‌دانند که اولتراسوند قوی می‌تواند حباب‌های گازی را در بافت بیولوژیکی ایجاد کند و این حباب‌ها می‌توانند به طور کامل بدون آسیب رساندن به بافت ناپدید شوند.
پراکندگی کرکر ذرات را با دقت زیر اتمی تعیین می کند
ایده این آزمایش در جریان گفتگو با یکی از اعضای تیم Jae Youn Hwang، متخصص اپتیک در DGIST مطرح شد. تصور این بود که حباب‌های گاز ناشی از امواج فراصوت می‌توانند به‌عنوان یک عامل پاک‌کننده نوری استفاده شوند، اگر بتوانند به نحوی حباب‌های متراکم را در ناحیه مورد نظر ایجاد کنند. چانگ توضیح می‌دهد: «پاکسازی نوری متعارف بر این واقعیت متکی است که وقتی ضرایب شکست پراکنده‌های نور در بافت مشابه یکدیگر هستند، پراکندگی نوری حداقل است. از عوامل شیمیایی برای کاهش ضریب شکست بالای پراکنده ها استفاده می شود تا به خود بافت نزدیک شود.
به گفته تیم DGIST، این تکنیک ممکن است برای تصویربرداری بافت مغز با وضوح بالا، تشخیص زودهنگام بیماری آلزایمر و تشخیص دقیق بافت سرطان در ترکیب با فناوری آندوسکوپ استفاده شود. چانگ می‌گوید: «من همچنین معتقدم که مفهوم اساسی این مطالعه را می‌توان برای درمان‌های نوری، مانند درمان‌های فتوترمال و فوتودینامیک برای بهبود اثربخشی آنها به کار برد، زیرا آنها همچنین از نفوذ محدود نور رنج می‌برند.»
