การกระเจิงแสงเป็นปัญหาที่แท้จริงสำหรับการถ่ายภาพทางชีววิทยา ด้วยการป้องกันไม่ให้แสงโฟกัสลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อชีวภาพ เอฟเฟกต์การกระเจิงจะจำกัดความลึกของภาพไว้ที่ประมาณ 100 ไมครอน ทำให้ได้ภาพที่เบลอเท่านั้น เทคนิคใหม่ที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์ล้างด้วยแสงอัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มระยะทางนี้ได้มากกว่าหกปัจจัยด้วยขั้นตอนที่ค่อนข้างต่อต้านการแทรกชั้นของฟองก๊าซในพื้นที่ที่ถ่ายภาพ การเพิ่มชั้นฟองอากาศนี้ช่วยให้แน่ใจว่าโฟตอนจะไม่เบี่ยงเบนเมื่อแพร่กระจายผ่านตัวอย่าง
การกระเจิงแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงกระทบกับโครงสร้างที่เล็กกว่าความยาวคลื่น แสงที่ตกกระทบรบกวนอิเล็กตรอนในโครงสร้าง ก่อตัวเป็นโมเมนต์ไดโพลแบบสั่นที่เปล่งแสงอีกครั้งในทิศทางต่างๆ มากมาย
“เทคนิคต่างๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคอลถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการวิจัยด้านวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต เช่น มะเร็งและการถ่ายภาพเนื้อเยื่อสมอง แต่ก็ถูกจำกัดเนื่องจากปัญหานี้” อธิบาย จินโฮชาง ที่ สพป (สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Daegu Gyeongbuk) ในประเทศเกาหลี. “ข้อจำกัดของความลึกในการถ่ายภาพมีสาเหตุหลักมาจากโฟตอนที่ตกกระทบถูกหักเหอย่างรุนแรงจากทิศทางการแพร่กระจายเดิมอันเป็นผลมาจากการกระเจิงของแสง จำนวนโฟตอนที่ไม่กระจัดกระจายจะลดลงแบบทวีคูณตามระยะทางที่โฟตอนเดินทาง ดังนั้นแสงจึงไม่สามารถจับโฟกัสแน่นได้หลังจากความลึกประมาณ 100 ไมครอน”
ในขณะที่นักวิจัยได้พัฒนาเทคนิคการสร้างรูปร่างหน้าคลื่นแสงประเภทต่างๆ เพื่อจัดการกับข้อจำกัดนี้ แต่ก็ไม่สามารถนำมาใช้ในการถ่ายภาพสามมิติได้ เทคนิคอื่นๆ เหล่านี้ยังต้องการโมดูลออปติคัลประสิทธิภาพสูงและระบบออปติกที่ซับซ้อนอีกด้วย
ไม่มีการกระจายแสงในฟองเมฆ
ในงานล่าสุด Chang และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาวิธีการใหม่โดยใช้อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเพื่อสร้างฟองก๊าซในปริมาตรของเนื้อเยื่อที่อยู่ด้านหน้าระนาบภาพ เพื่อป้องกันไม่ให้ฟองอากาศยุบตัวและอาจทำลายเนื้อเยื่อ นักวิจัยได้ส่งอัลตราซาวนด์ความเข้มต่ำอย่างต่อเนื่องในระหว่างกระบวนการสร้างภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์สแกนด้วยเลเซอร์ รักษาฟองอากาศอย่างต่อเนื่องตลอดกระบวนการ พวกเขาพบว่าเมื่อความเข้มข้นของฟองก๊าซในปริมาตรสูงกว่า 90% โฟตอนจากเลเซอร์สร้างภาพจะแทบไม่มีการกระเจิงของแสงภายในบริเวณฟองก๊าซ (เรียกว่า "ฟองเมฆ") นี่เป็นเพราะฟองก๊าซที่สร้างขึ้นชั่วคราวลดการกระเจิงของแสงในทิศทางเดียวกับการแพร่กระจายของแสงที่ตกกระทบ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความลึกของการทะลุทะลวง
“ด้วยเหตุนี้ เลเซอร์จึงสามารถโฟกัสไปที่ระนาบภาพได้อย่างแน่นหนา ซึ่งเกินกว่าที่กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนด้วยเลเซอร์ทั่วไปไม่สามารถรับภาพที่คมชัดได้” Chang กล่าว โลกฟิสิกส์. "ปรากฏการณ์นี้คล้ายคลึงกับการล้างด้วยแสงโดยใช้สารเคมี ดังนั้นเราจึงตั้งชื่อวิธีการของเราว่ากล้องจุลทรรศน์ล้างด้วยแสงที่เหนี่ยวนำด้วยอัลตราซาวนด์ (US-OCM)"
ซึ่งแตกต่างจากวิธีการล้างด้วยแสงทั่วไป UC-OCM สามารถระบุตำแหน่งการล้างด้วยแสงในพื้นที่ที่สนใจและคืนค่าคุณสมบัติทางแสงดั้งเดิมไปยังภูมิภาคเมื่อปิดฟลักซ์ฟอง ซึ่งหมายความว่าเทคนิคนี้ไม่ควรเป็นอันตรายต่อเนื้อเยื่อที่มีชีวิต
ตามที่นักวิจัยซึ่งให้รายละเอียดงานของพวกเขาใน ธรรมชาติ เล็คทรอนิคส์ข้อได้เปรียบหลักของ US-OCM คือ: ความลึกของการถ่ายภาพที่เพิ่มขึ้นมากกว่าหกเท่าโดยมีความละเอียดที่ใกล้เคียงกับของกล้องจุลทรรศน์เลเซอร์ทั่วไป การเก็บข้อมูลภาพที่รวดเร็วและการสร้างภาพใหม่ (ใช้เวลาเพียง 125 มิลลิวินาทีสำหรับภาพหนึ่งเฟรมที่ประกอบด้วย 403 x 403 พิกเซล) และภาพ 3 มิติที่หาได้ง่าย
และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด: ทีมงานชี้ให้เห็นว่าการนำวิธีการใหม่ไปใช้นั้นต้องการเพียงโมดูลอะคูสติกที่ค่อนข้างง่าย (ทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์เดี่ยวและระบบขับเคลื่อนทรานสดิวเซอร์) ที่จะเพิ่มเข้าไปในการตั้งค่ากล้องจุลทรรศน์การสแกนด้วยเลเซอร์แบบเดิม เทคนิคนี้ยังสามารถขยายไปยังเทคนิคกล้องจุลทรรศน์การสแกนด้วยเลเซอร์อื่นๆ เช่น มัลติโฟตอนและโฟโตอะคูสติกไมโครสโคป
อัลตราซาวนด์และแสงรวมกันได้ง่าย
“โดยส่วนตัวแล้วฉันเชื่อว่าการพัฒนาเทคโนโลยีไฮบริดเป็นหนึ่งในทิศทางการวิจัยใหม่ และอัลตราซาวนด์และแสงนั้นค่อนข้างง่ายที่จะรวมเข้าด้วยกันเพื่อเพิ่มข้อได้เปรียบสูงสุดในขณะที่เสริมข้อเสียของกันและกัน” Chang กล่าว “นักวิจัยที่ทำงานด้านอัลตราซาวนด์ทราบมานานแล้วว่าอัลตราซาวนด์ที่รุนแรงสามารถสร้างฟองก๊าซในเนื้อเยื่อชีวภาพ และพวกมันสามารถหายไปได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่ทำลายเนื้อเยื่อ”
การกระเจิงของ Kerker ระบุตำแหน่งของอนุภาคที่มีความแม่นยำต่ำกว่าอะตอม
แนวคิดสำหรับการทดลองนี้เกิดขึ้นระหว่างการหารือกับสมาชิกในทีม แจ ยุน ฮวัง ผู้เชี่ยวชาญด้านทัศนศาสตร์ที่ DGIST แนวคิดก็คือฟองก๊าซที่เกิดจากอุลตร้าซาวด์สามารถใช้เป็นสารล้างแสงได้หากพวกมันสามารถสร้างฟองอากาศที่หนาแน่นในบริเวณที่สนใจได้ Chang อธิบายว่า "การหักเหของแสงแบบเดิมขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าการกระเจิงของแสงจะน้อยที่สุดเมื่อดัชนีการหักเหของแสงของตัวกระจายแสงในเนื้อเยื่อมีความคล้ายคลึงกัน" Chang อธิบาย "มีการใช้สารเคมีเพื่อลดดัชนีการหักเหของแสงที่สูงของสารกระเจิงเพื่อให้เข้าใกล้เนื้อเยื่อของมันเอง"
จากข้อมูลของทีม DGIST เทคนิคนี้อาจนำไปใช้สำหรับการถ่ายภาพเนื้อเยื่อสมองที่มีความละเอียดสูง การวินิจฉัยโรคอัลไซเมอร์ในระยะเริ่มต้น และการวินิจฉัยเนื้อเยื่อมะเร็งที่แม่นยำร่วมกับเทคโนโลยีส่องกล้อง “ฉันยังเชื่อด้วยว่าแนวคิดพื้นฐานของการศึกษานี้สามารถนำไปใช้กับการบำบัดด้วยแสงได้ เช่น การบำบัดด้วยความร้อนจากแสงและโฟโตไดนามิก เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของพวกเขา เนื่องจากพวกเขาประสบปัญหาจากการทะลุทะลวงของแสงที่จำกัด” Chang กล่าว
