طريقة ثورية تكشف الصور المخفية في الضوضاء

تتفوق تقنية التصوير المبتكرة المستوحاة من الكم في ظروف الإضاءة المنخفضة، وتقدم وجهات نظر جديدة في التصوير الطبي والحفاظ على الفن.

قدم باحثون من كلية الفيزياء في جامعة وارسو، بالتعاون 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 في الإضاءة المنخفضة للغاية وقد تكون مفيدة في التطبيقات الناشئة مثل التصوير التداخلي بالأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية وقياس التداخل الكمي وموجة المادة.

ثورة في تقنيات التصوير

لا يهم إذا كنت تلتقط صورًا لقطط بهاتفك الذكي أو تلتقط صورًا لمزارع الخلايا باستخدام مجهر متقدم، فأنت تفعل ذلك عن طريق قياس شدة (سطوع) الضوء بالبكسل. لا يتميز الضوء بشدته فحسب، بل أيضًا بمرحلته. ومن المثير للاهتمام أن الأجسام الشفافة يمكن أن تصبح مرئية إذا تمكنت من قياس تأخر طور الضوء الذي تدخله.

أحدث الفحص المجهري الطوري، والذي حصل فريتس زيرنيكي على جائزة نوبل عام 1953، ثورة في التصوير الطبي الحيوي مع إمكانية الحصول على صور عالية الدقة لمختلف العينات الشفافة والرفيعة بصريًا. يتضمن مجال البحث الناتج عن اكتشاف زيرنيك تقنيات التصوير الحديثة مثل التصوير المجسم الرقمي والتصوير المرحلي الكمي.

يوضح الدكتور راديك لابكيويتش، مدير مختبر التصوير الكمي في كلية الفيزياء بجامعة ستانفورد: “إنه يتيح التوصيف الكمي بدون ملصقات للعينات الحية، مثل مزارع الخلايا، وقد يجد تطبيقات في علم الأحياء العصبي أو أبحاث السرطان”. وارسو.

تصوير الطور المقاوم للضوضاء مع ارتباط الشدة، الائتمان: كلية الفيزياء، جامعة وارسو

التحديات والابتكارات في مرحلة التصوير

ومع ذلك، لا تزال التحسينات ممكنة. “على سبيل المثال، قياس التداخل، وهو طريقة قياس قياسية تسمح بقياسات دقيقة للسمك في أي نقطة من الجسم الذي تم فحصه، يعمل فقط عندما يكون النظام مستقرًا، وغير معرض للصدمات أو الاضطرابات. “من الصعب جدًا إجراء مثل هذا الاختبار، على سبيل المثال في سيارة متحركة أو على طاولة اهتزاز”، يوضح جيرزي سزونيفتش، طالب الدكتوراه في كلية الفيزياء بجامعة وارسو.

قرر باحثون من كلية الفيزياء بجامعة وارسو، بالتعاون مع زملاء من جامعة ستانفورد وجامعة ولاية أوكلاهوما، معالجة هذه المشكلة وتطوير طريقة جديدة لتصوير الطور غير حساسة لعدم استقرار الطور. ونشرت نتائج أبحاثهم في المجلة المرموقة تقدم العلماء.

العودة إلى المدرسة القديمة

كيف توصل الباحثون إلى فكرة هذه التقنية الجديدة؟ وفي ستينيات القرن الماضي، أثبت ليونارد ماندل ومجموعته 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 أفتح أو أغمق في نفس الوقت.

“لقد أظهرنا أن مثل هذه القياسات تحتوي على معلومات إضافية لا يمكن الحصول عليها من صورة واحدة، وهي قياس الكثافة. باستخدام هذه الحقيقة، أثبتنا أنه في الفحص المجهري للطور القائم على التداخل، تكون الملاحظات ممكنة حتى عندما تفقد التداخلات القياسية جميع معلومات الطور في المتوسط ​​ولا يتم تسجيل أي هامش 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، حتى لو كان التداخل العادي غير قابل للاكتشاف بسبب الضوضاء”، يضيف لابكيويتز.

“في تجربتنا، يتم فرض الضوء المار عبر جسم طوري (هدفنا الذي نريد دراسته) على ضوء مرجعي. يتم تقديم تأخير طور عشوائي بين الكائن وحزم الضوء المرجعية – يحاكي تأخير الطور هذا اضطرابًا يعيق طرق تصوير الطور القياسي.

“لذلك، لا يتم ملاحظة أي تداخل عند قياس الكثافة، 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 معلومات كائن الطور الكاملة.

“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 – مما يغير الوضع. – القياس الأطول يعني المزيد من الفوتونات، مما يؤدي إلى أ دقة“، يشرح جيرزي سزونيفيتش، المؤلف الأول للعمل.

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

“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 وتقنية تسمى التصوير المجسم خارج المحور توفر دقة إعادة البناء المثلى،” كما يوضح ستانيسلاف كوردزياليك، المؤلف الثاني للمقالة.

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 سزونيفيتش.

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

المرجع: “تصوير الطور المقاوم للضوضاء مع ارتباط الشدة” بواسطة Jerzy Szuniewicz، Stanislaw Kurdzialek، Sanjukta Kundu، Wojciech Zwolinski، Radoslaw Chrapkiewicz، Mayukh Lahiri و Radek Lapkiewicz، 22 سبتمبر 2023، تقدم العلماء.
دوى: 10.1126/sciadv.adh5396

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