تكشف الطريقة الثورية عن الصور المخفية في الضوضاء

تتفوق تقنية التصوير المبتكرة المستوحاة من الكم في ظروف الإضاءة المنخفضة، مما يوفر فرصًا جديدة في التصوير الطبي والحفاظ على الفن.

قدم باحثون من كلية الفيزياء بجامعة وارسو، إلى جانب زملاء من جامعة ستانفورد وجامعة ولاية أوكلاهوما، طريقة لتصوير الوجه مستوحاة من الكم. يمكن أن تعمل طريقة التصوير الجديدة حتى مع الضوء الخافت جدًا، وهي مفيدة في التطبيقات الناشئة مثل التصوير التداخلي بالأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية وقياس التداخل الكمي وموجة المادة.

تقنيات التصوير الثورية

سواء كنت تلتقط صورًا لقطط بهاتفك الذكي أو تلتقط صورًا لمزارع الخلايا باستخدام مجهر متقدم، يمكنك القيام بذلك عن طريق قياس شدة (سطوع) الضوء بالبكسل. لا يتميز الضوء بشدته فحسب، بل أيضًا بمرحلته. ومن المثير للاهتمام أن الأجسام الشفافة تكون مرئية إذا تمكنت من قياس تأخر طور الضوء الذي تقدمه.

أحدث مجهر تباين الطور، الذي حصل فريتز زرنيك على جائزة نوبل عام 1953، ثورة في التصوير الطبي الحيوي بسبب إمكانية الحصول على صور عالية الدقة لمختلف العينات الشفافة والرفيعة بصريًا. يشمل مجال البحث الذي انبثق عن اكتشاف زيرنيك تقنيات التصوير الحديثة مثل التصوير المجسم الرقمي والتصوير المرحلي الكمي.

يوضح الدكتور راديك لابكيويتز، رئيس مختبر التصوير الكمي في كلية الفيزياء بجامعة وارسو: “يتيح هذا التوصيف الكمي والخالي من الملصقات للعينات الحية، مثل مزارع الخلايا، ويمكن أن يجد تطبيقات في علم الأحياء العصبي أو أبحاث السرطان”. .

ارتباط الشدة للتصوير المقاوم للضوضاء، الائتمان: كلية الفيزياء، جامعة وارسو

التحديات والابتكارات في مرحلة التصوير

ومع ذلك، لا يزال هناك مجال للتحسين. “على سبيل المثال، قياس التداخل، وهو طريقة قياس قياسية لقياسات سمك دقيقة في أي نقطة من المادة المدروسة، يعمل فقط عندما يكون النظام ثابتًا، دون أي صدمات أو اضطرابات. من الصعب جدًا إجراء مثل هذه التجربة، على سبيل المثال، في قال طالب دكتوراه في كلية الفيزياء بجامعة وارسو: “سيارة متحركة أو على طاولة تهتز”. يوضح جيرسي سجونيوس.

وقرر باحثون من كلية الفيزياء بجامعة وارسو، مع زملاء من جامعة ستانفورد وجامعة ولاية أوكلاهوما، التغلب على هذه المشكلة وتطوير طريقة جديدة لتصوير الطور تحمي من عدم استقرار الطور. وقد تم نشر نتائج أبحاثهم في مجلة مرموقة التقدم العلمي.

العودة إلى المدرسة القديمة

كيف توصل الباحثون إلى فكرة التقنية الجديدة؟ لقد أثبت ليونارد ماندل وفريقه في الستينيات أنه حتى لو لم يتم اكتشاف التداخل بشدة، فإن الارتباطات يمكن أن تكشف عن وجوده.

قال الدكتور هانز: “بوحي من تجارب ماندل الكلاسيكية، أردنا استكشاف كيفية استخدام قياسات ارتباط الشدة في تصوير الطور”. يشرح لابكيويتز. في قياس الارتباط، ننظر إلى أزواج من وحدات البكسل ونلاحظ أنها ساطعة أو داكنة في نفس الوقت.

“لقد أظهرنا أن مثل هذه القياسات تحتوي على معلومات إضافية لا يمكن الحصول عليها باستخدام صورة فوتوغرافية واحدة، وهي قياس الكثافة. باستخدام هذه الحقيقة، أثبتنا أنه في الفحص المجهري للطور القائم على التداخل، تكون الملاحظات ممكنة حتى عندما تفقد مخططات التداخل القياسية جميع معلومات الطور في المتوسط ​​ولا يتم تسجيل أي هامش في الشدة.

“من خلال النهج القياسي، يمكن للمرء أن يفترض أنه لا توجد معلومات مفيدة في مثل هذه الصورة. ومع ذلك، يتم إخفاء المعلومات في الاتصالات ويمكن استعادتها عن طريق تحليل عدة صور مستقلة لجسم ما، مما يسمح بالحصول على مخططات التداخل الصحيحة والتداخل العادي يقول لابكيويتش: “بسبب الضوضاء لا يمكن اكتشافها”.

“في تجربتنا، يتم فرض الضوء الذي يمر عبر كائن مرحلي (هدفنا، الذي نريد التحقيق فيه) بضوء مرجعي. يتم تقديم تأخير طور عشوائي بين الكائن وحزم الضوء المرجعية – يحاكي تأخير الطور هذا الاضطرابات التي تمنع المعيار طرق تصوير المرحلة

“ونتيجة لذلك، لم يلاحظ أي تداخل عند قياس الكثافة، أي أنه لا يمكن الحصول على معلومات حول كائن الطور من قياسات الكثافة. ومع ذلك، فإن علاقة الشدة والكثافة المعتمدة مكانيًا تظهر نمطًا هامشيًا يحتوي على معلومات كاملة حول كائن المرحلة.

“لا يتأثر هذا الارتباط بين الشدة والكثافة بأي ضوضاء في الطور الزمني والتي تختلف بشكل أبطأ من سرعة الكاشف (حوالي 10 نانو ثانية في التجربة المقترحة) ويمكن قياسها عن طريق الحصول على البيانات على مدى فترات زمنية طويلة بشكل تعسفي – هذه لعبة المغير. – القياس الأطول يعني المزيد من الفوتونات، وهو أعلى دقة“، يشرح جيرزي سونيفيتش، المؤلف الأول للعمل.

ببساطة، إذا قمنا بتسجيل إطار فيلم، فإن هذا الإطار الفردي لا يعطينا أي معلومات مفيدة حول شكل الكائن قيد الدراسة. “لذلك، قمنا أولاً بتسجيل سلسلة كاملة من هذه الإطارات باستخدام الكاميرا، ثم قمنا بضرب قيم القياس من كل إطار في كل زوج من النقاط. وقمنا بحساب متوسط ​​هذه الارتباطات وسجلنا الصورة الكاملة لجسمنا”، يوضح جيرزي سونيفيتش. .

يقول ستانيسلاف: “هناك العديد من الطرق لاستعادة ملف تعريف الطور لجسم مرصود من سلسلة من الصور. ومع ذلك، فقد أثبتنا أن طريقتنا، التي تسمى ارتباط الشدة والكثافة وتقنية التصوير المجسم خارج المحور، توفر دقة إعادة البناء المثلى”. كورتزيالك، المؤلف الثاني للورقة.

فكرة مشرقة لبيئة مظلمة

يمكن استخدام نهج التصوير المرحلي المعتمد على ارتباط الشدة على نطاق واسع في البيئات الصاخبة جدًا. تعمل الطريقة الجديدة مع كل من الضوء الكلاسيكي (الليزر والحراري) والضوء الكمي. يمكن تنفيذها أيضًا الفوتون نظام العد، على سبيل المثال استخدام الثنائيات الانهيارية الفوتونية الفردية. “يمكن استخدامه في الحالات التي يتوفر فيها القليل من الضوء أو حيث لا يمكن استخدام شدة الضوء العالية دون الإضرار بالجسم، على سبيل المثال، عينة بيولوجية دقيقة أو عمل فني”، يوضح جيرزي سونيويتز.

ويختتم الدكتور لابكيويتش قائلاً: “ستعمل تقنيتنا على توسيع الفرص في قياسات الطور، بما في ذلك التصوير بالأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية والتطبيقات الناشئة مثل قياس التداخل الكمي وموجة المادة”.

المرجع: Jerzy Suniewicz، Stanislaw Kurdzialek، Sanjukta Kundu، Wojciech Zwolinski، Radoslaw Krapkiewicz، Mayuk Lahiri، and Radek Lapkiewicz، سبتمبر 2023، 2023، 2023. التقدم العلمي.
دوى: 10.1126/sciadv.adh5396

تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم البولندية. بتمويل من الاتحاد الأوروبي في إطار صندوق التنمية الإقليمية الأوروبية في إطار مشروع الفريق الأول “قياسات ارتباط الفوتون الزماني المكاني للقياس الكمي والمجهر فائق الدقة” (POIR.04.04.00-00 -3004/17-00). يقر Jerzy Szuniewicz أيضًا بالدعم المقدم من المركز الوطني للعلوم، بولندا، رقم المنحة 2022/45/N/ST2/04249. يقر S. Kurdzialek بالدعم المقدم من منحة المركز الوطني للعلوم (بولندا) رقم 2020/37/B/ST2/02134. م. أهيري. يعترف بالدعم المقدم من مكتب الولايات المتحدة للأبحاث البحرية تحت رقم الجائزة N00014-23-1-2778.