تشكيل واجهة الموجة: تقنيات فلكية لتصوير طبي أوضح
حقق الباحثون في قسم الهندسة الطبية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا تقدمًا كبيرًا في التصوير الطبي باستخدام تشكيل واجهة الموجة المستوحاة من علم الفلك. تشكيل واجهة الموجة هو طريقة تستخدم لتصحيح التشوه البصري الناجم عن الغلاف الجوي للأرض في التصوير الفلكي. على غرار الغلاف الجوي للأرض، تعمل الأنسجة البيولوجية أيضًا على تشتيت الضوء، مما يجعل الصور المجهرية للأوعية الدموية والأعصاب والخلايا السرطانية تبدو مشوهة. الائتمان: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
طور باحثو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا التصوير الطبي من خلال تكييف تقنيات تشكيل جبهة الموجة من علم الفلك لمواجهة التشوه الناجم عن الأنسجة البيولوجية. باستخدام “المرآة السحرية” البلورة الانكسارية للصور، حقق الفريق مكاسب عالية السرعة وعالية الطاقة ودرجات تحكم عالية من الحرية، مما يحتمل أن يحسن اكتشاف السرطان تحت الجلد.
حقق الباحثون في قسم أندرو وبيغي تشيرنج للهندسة الطبية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا خطوة كبيرة إلى الأمام في التصوير الطبي من خلال أخذ الإلهام من مجال علم الفلك.
تم نشر الورقة التي تصف هذا البحث مؤخرًا في مجلة Nature Photonics بعنوان “تكوين واجهة الموجة عالية السرعة وعالية الكسب من خلال الوسائط المتناثرة.”
في علم الفلك، يتشوه الغلاف الجوي للأرض الضوء الذي يصل إلى التلسكوبات، مما ينتج عنه صور ضبابية للكواكب والأقمار الصناعية والأجسام الكونية الأخرى. الغلاف الجوي للأرض هو ما يُعرف بالوسط المتشتت. ينثر الضوء، مما يجعل الصور تبدو غير مركزة وغائمة. تشكيل واجهة الموجة هو طريقة لتوليد ضوء مركّز عن طريق عكس التشوه البصري الناجم عن الغلاف الجوي. في هذه الطريقة، يقوم جهاز عاكس، مثل المرآة، “بتشكيل” موجات الضوء لموازنة التشوه. إنه مشابه لشخص يرتدي سماعات رأس نشطة لإلغاء الضوضاء لمكافحة الضوضاء المحيطة.
الأنسجة البيولوجية هي أيضا وسيلة نثر. تؤدي حركة الدم وحركة التنفس والضخ المستمر للقلب إلى حدوث تشوه سريع التغير أو ضبابية عند التقاط صور مجهرية للأوعية الدموية والأعصاب وحتى الخلايا السرطانية. نظرًا لأن عالم الفلك قد يستخدم تشكيل واجهة الموجة لإلغاء التشويه الناجم عن الغلاف الجوي للأرض، فقد اكتشف الباحثون في الهندسة الطبية استخدام تشكيل جبهة الموجة لإلغاء التشوه الناجم عن الأنسجة البيولوجية.
“عندما يمر الضوء عبر وسط مبعثر مثل قطعة من الأنسجة، فإنه ينتشر ببساطة في كل مكان. هذا يعني أنه لا يمكننا تركيز الضوء بشكل مباشر في عمق الأنسجة، كما يقول ليهونج وانج، أستاذ الهندسة الطبية والهندسة الكهربائية، والمؤلف المقابل للورقة. “للتشتت تأثير تراكمي. كلما زاد تشتت الفوتونات، زاد التشوه الذي نراه. من خلال استخدام تشكيل واجهة الموجة، يمكننا التخفيف من تأثير التشتت والتركيز بشكل أعمق في الأنسجة البيولوجية “.
يستخدم مختبر وانج بلورة انكسارية ضوئية لتعمل بمثابة “مرآة سحرية” تلغي تشويه الضوء الذي تسببه الأنسجة.
تعمل العملية على النحو التالي: إذا قمت بالتحديق في مرآة حمام عادية، فسترى صورة واضحة وغير مشوهة لنفسك. ضع زجاجة زجاجية على عينك بينك وبين المرآة، وسترى صورة مشوهة وغير واضحة لنفسك. هذا لأن الزجاجة تشوه موجات الضوء في طريقها إلى المرآة وفي طريقها من المرآة إلى عينيك. “السحر” في “المرآة السحرية” هو القدرة على الحفاظ على شكل الموجة (تسمى جبهة الموجة) عن طريق عكس التشويه الذي تعرضت له. بعبارة أخرى، يواجه الضوء المرتجع نفس التشوه في الطريق إلى المرآة وفي رحلة العودة إليك ولكن معكوسًا، مما يتسبب في إلغاء التشويه نفسه. عندما تمر تلك الواجهات الموجية عبر الزجاجة مرة أخرى، تكون النتيجة صورة واضحة عن نفسك كما لو أن الزجاجة لم تكن موجودة.
ومع ذلك، فإن استخدام تشكيل واجهة الموجة لالتقاط صور أوضح للأنسجة البيولوجية يجب أن يفي بثلاثة مقاييس رئيسية. الطرق السابقة لم تكن قادرة على إرضاء الثلاثة.
المقياس الأساسي الأول هو السرعة. نظرًا لأن الأنسجة البيولوجية حية وتتحرك، يجب أن تتم عملية تشكيل واجهة الموجة بأكملها في غضون جزء من الثانية. “فقط عندما يكون لديك نفس الكائن في نفس الحالة في نفس الموقع أثناء عملية الانعكاس الزمني، يمكننا إلغاء تشويه واجهة الموجة”، كما يقول وانج، وهو أيضًا رئيس أندرو وبيجي تشيرنج لقيادة الهندسة الطبية.
المقياس الرئيسي الثاني هو ما يسمى “درجات التحكم في الحرية”. بدلاً من المرآة التقليدية التي قد تستخدمها لارتداء ملابسك في الصباح، فإن “المرآة السحرية” المستخدمة في تشكيل واجهة الموجة تتكون من العديد من الألواح الصغيرة من المرايا. كلما زاد عدد اللوحات، يتعين على الباحثين التحكم في ضبط وتشكيل موجات الضوء لإلغاء التشويه.
المقياس الرئيسي الثالث، وهو الأكثر تحديًا لوانغ والفريق، هو سطوع المرآة أو انعكاسها – ما يسمى بـ “اكتساب الطاقة”. مع “المرآة السحرية” المستخدمة في تشكيل واجهة الموجة عالية السرعة مع درجات تحكم عالية من الحرية، غالبًا ما تكون الانعكاسية قاتمة للغاية بحيث لا تكون فعالة. وجد فريق البحث حلاً في كيفية إنتاج الليزر.
عندما يتم تمرير موجات الضوء عبر مادة لها خصائص تسمح لها بتضخيم الضوء – وتسمى أيضًا وسيط الكسب – فإن الإلكترونات الموجودة في وسيط الكسب تطلق الطاقة في شكل ضوء إضافي. تعمل هذه العملية على تضخيم موجات الضوء، مكونة الضوء الذي ينتقل في خط مستقيم – يُعرف باسم الليزر. وبالمثل، يتم استخدام وسيط كسب الليزر لتضخيم موجات الضوء المتناثرة التي تصل إلى المرآة السحرية وتعكسها. “مجازيًا، وسيط الكسب هذا يسمح لنا بجعل المرآة السحرية أكثر لمعانًا؛ يقول وانغ: “إنها تلمع المرآة، إذا جاز التعبير”. تظل المرآة السحرية نفسها كما هي بينما يتضخم الضوء الذي ينتقل من وإلى المرآة ويصبح أكثر إشراقًا.
في علم الفلك، يمكن أن يحول تشكيل واجهة الموجة النقطة الضبابية إلى صورة أوضح لكوكب بعيد. تُترجم هذه العملية الجديدة لتشكيل واجهة الموجة الطبية إلى الهندسة الطبية، ولديها القدرة على التركيز بشدة على الأنسجة للكشف عن السرطان تحت الجلد.
“نُبلغ عن هذه التقنية التي تحقق في وقت واحد مكاسب عالية السرعة وعالية الطاقة – وهذا يعني انعكاسية عالية – ودرجات تحكم عالية من الحرية. وهذا يعني أن جميع المقاييس الثلاثة قد تم استيفائها للمرة الأولى “، كما يقول وانج. “هذه خطوة كبيرة إلى الأمام.”
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
