طريقة ثورية تكشف الصور المخفية في الضوضاء

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

قدم الباحثون في كلية الفيزياء بجامعة وارسو مع زملاء من جامعة ستانفورد وجامعة ولاية أوكلاهوما طريقة تصوير طور مستوحاة من الكم تعتمد على قياسات ارتباط شدة الضوء القوية لضوضاء الطور. يمكن أن تعمل طريقة التصوير الجديدة حتى مع الإضاءة الخافتة للغاية، ويمكن أن تكون مفيدة في التطبيقات الناشئة، مثل التصوير التداخلي بالأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية، وقياس التداخل الكمي وموجة المادة.

ثورة في تقنيات التصوير

بغض النظر عما إذا كنت تلتقط صورًا لقطط بهاتفك الذكي أو تلتقط صورًا لمزارع الخلايا باستخدام مجهر متقدم، فإنك تفعل ذلك عن طريق قياس شدة (سطوع) الضوء بالبكسل. يتميز الضوء، ليس فقط بشدته، بل أيضًا بمرحلته. ومن المثير للاهتمام أن الأجسام الشفافة يمكن أن تصبح مرئية إذا كنت قادرًا على قياس تأخر طور الضوء الذي تقدمه.

أحدث الفحص المجهري الطوري، والذي حصل فريتس زيرنيكي 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: “إنه يتيح التوصيف الكمي والخالي من الملصقات للعينات الحية، مثل مزارع الخلايا، ويمكن أن يجد تطبيقات في علم الأحياء العصبي أو أبحاث السرطان”.

تصوير الطور المقاوم للضوضاء مع ارتباط الشدة، 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 الجسم الذي تم فحصه، يعمل فقط عندما يكون النظام مستقرًا، ولا يتعرض لأي صدمات أو اضطرابات. يوضح جيرزي سزونيفتش، طالب الدكتوراه في كلية الفيزياء بجامعة وارسو، أنه من الصعب جدًا إجراء مثل هذا الاختبار، على سبيل المثال، في سيارة متحركة أو على طاولة تهتز.

قرر باحثون من كلية الفيزياء بجامعة وارسو مع زملاء من جامعة ستانفورد وجامعة ولاية أوكلاهوما معالجة هذه المشكلة وتطوير طريقة جديدة لتصوير الطور محصنة ضد عدم استقرار الطور. وقد تم نشر نتائج أبحاثهم في المجلة المرموقة تقدم العلوم.

العودة إلى المدرسة القديمة

كيف توصل الباحثون إلى فكرة التقنية الجديدة؟ لقد أثبت ليونارد ماندل ومجموعته في الستينيات أنه حتى عندما لا يكون التداخل قابلاً للاكتشاف من حيث الشدة، فإن الارتباطات يمكن أن تكشف عن وجوده.

يوضح الدكتور لابكيويتش: “بوحي من تجارب ماندل الكلاسيكية، أردنا أن ندرس كيفية استخدام قياسات ارتباط الشدة في تصوير الطور”. في قياس الارتباط، ننظر إلى أزواج من وحدات البكسل ونلاحظ ما إذا كانت تصبح أكثر سطوعًا أو أغمق في نفس الوقت.

“لقد أظهرنا أن مثل هذه القياسات تحتوي على معلومات إضافية لا يمكن الحصول عليها باستخدام صورة واحدة، أي قياس الكثافة. باستخدام هذه الحقيقة، أثبتنا أنه في الفحص المجهري الطوري المعتمد على التداخل، تكون الملاحظات ممكنة حتى عندما تفقد مخططات التداخل القياسية جميع معلومات الطور ولا توجد هامش مسجل في الشدة.

“مع النهج القياسي، يمكن للمرء أن يفترض أنه لا توجد معلومات مفيدة في مثل هذه الصورة. ومع ذلك، فقد اتضح أن المعلومات مخفية في الارتباطات ويمكن استعادتها من خلال تحليل صور مستقلة متعددة لجسم ما، مما يسمح لنا بالحصول على مخططات تداخل مثالية، على الرغم من أن التداخل العادي غير قابل للاكتشاف بسبب الضوضاء”، يضيف لابكيويتز.

“في تجربتنا، يتم تركيب الضوء الذي يمر عبر جسم طوري (هدفنا، الذي نريد فحصه) مع ضوء مرجعي. يتم تقديم تأخير طور عشوائي بين أشعة الجسم والضوء المرجعي – يحاكي تأخير الطور هذا اضطرابًا يعيق طرق تصوير الطور القياسي.

“وبالتالي، لم يتم ملاحظة أي تداخل عند قياس الشدة، أي أنه لا يمكن الحصول على معلومات حول كائن الطور من قياسات الشدة. ومع ذلك، فإن ارتباط الشدة والكثافة المعتمد مكانيًا يعرض نمطًا هامشيًا يحتوي على المعلومات الكاملة حول كائن الطور.

“لا يتأثر هذا الارتباط بين الشدة والكثافة بأي ضوضاء في الطور الزمني تختلف بشكل أبطأ من سرعة الكاشف (حوالي 10 نانو ثانية في التجربة المنفذة) ويمكن قياسه من خلال تجميع البيانات على مدى فترة زمنية طويلة بشكل تعسفي – وهو ما يغير قواعد اللعبة – القياس الأطول يعني المزيد من الفوتونات، وهو ما يترجم إلى أعلى دقة“، يشرح جيرزي سزونيفيتش، المؤلف الأول للعمل.

ببساطة، إذا أردنا تسجيل إطار فيلم واحد، فإن هذا الإطار الفردي لن يعطينا أي معلومات مفيدة حول شكل الجسم قيد الدراسة. “لذلك، قمنا أولاً بتسجيل سلسلة كاملة من هذه الإطارات باستخدام الكاميرا ثم قمنا بضرب قيم القياس عند كل زوج من النقاط من كل إطار. “لقد قمنا بحساب متوسط ​​هذه الارتباطات، وسجلنا صورة كاملة لجسمنا”، يوضح جيرزي سزونيويتز.

“هناك العديد من الطرق الممكنة لاستعادة ملف تعريف الطور لكائن تمت ملاحظته من سلسلة من الصور. “ومع ذلك، فقد أثبتنا أن طريقتنا القائمة على الارتباط بين الشدة والكثافة وما يسمى بتقنية التصوير المجسم خارج المحور توفر دقة إعادة البناء المثلى”، كما يقول ستانيسلاف كوردزياليك، المؤلف الثاني لهذه الورقة.

فكرة مشرقة للبيئات المظلمة

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. ويمكن تنفيذه أيضًا في الفوتون نظام العد، على سبيل المثال استخدام الثنائيات الانهيارية الفوتونية الفردية. “يمكننا استخدامه في الحالات التي يكون فيها الضوء متاحًا قليلًا أو عندما لا نستطيع استخدام شدة الضوء العالية حتى لا نتلف الجسم، على سبيل المثال، عينة بيولوجية دقيقة أو عمل فني”، يوضح جيرزي زونيفيتش.

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

المرجع: “تصوير الطور المقاوم للضوضاء مع ارتباط الشدة” بقلم جيرزي سزونيويتز، وستانيسلاف كوردزياليك، وسانجوكتا كوندو، ووجيتش زولينسكي، ورادوسلاو تشابكيفيتش، ومايوخ لاهيري، وراديك لابكيويتش، 22 سبتمبر 2023، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.adh5396

تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم البولندية في إطار مشروع الفريق الأول “قياسات ارتباط الفوتون الزماني المكاني للقياس الكمي والمجهر فائق الدقة” بتمويل مشترك من الاتحاد الأوروبي في إطار صندوق التنمية الإقليمية الأوروبي (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.اهيري. يعترف بالدعم المقدم من مكتب الولايات المتحدة للأبحاث البحرية تحت رقم الجائزة N00014-23-1-2778.