آشکارسازی تصاویر پنهان شده در نویز با استفاده از روش تصویربرداری فازی

خلاصه خبر:

سال 1953 Frits Zernike جايزه ي نوبل را بابت ساخت ميكروسكوپ هاي حساس به فاز دريافت كرد. ولي از آنجایی که اين ميكروسكوپ ها حساسيت زيادي به تغييرات فازي دارند، نمي توان آنها را بر روي ميزهايي كه لرزش داشته و يا در مواردي كه نور بسيار كم است، استفاده کرد. دانشگاه ورشو با همكاري دانشگاه استنفورد و اوكلاهاما روشي معرفي كردند كه با اندازه‌گيري همبستگي شدت-شدت پیكسل ها، حتي زماني كه شدت نور آنقدر پايين است كه طرح تداخلي نمي‌تواند ايجاد شود، تصوير برداري انجام دهند. اين روش مي‌تواند در تصويربرداری هاي مادون قرمز و يا ايكس-ري تداخلي بسيار كارآمد باشد. نتایج این تحقیق در نشریه Science Advances منتشر شده است.

توضیحات تکمیلی:
 

محققان دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو با همکارانی از دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایالتی اوکلاهاما، یک روش تصویربرداری فازی با الهام از کوانتوم را بر اساس اندازه‌گیری‌های همبستگی شدت نور معرفی کرده‌اند که در برابر نویز فاز مقاوم است. روش تصویربرداری جدید می تواند حتی با نور بسیار کم کار کند و می تواند در کاربردهای نوظهور مانند تصویربرداری تداخل سنجی اشعه ایکس، تصویر برداری مادون قرمز و تصویربرداری تداخل سنجی مفید باشد. نتایج این تحقیق در Science Advances منتشر شده است.

مهم نیست که با گوشی هوشمند خود از گربه عکس می گیرید یا با میکروسکوپ پیشرفته از کشت های سلولی، این کار را با اندازه گیری شدت (روشنایی) نور به صورت پیکسل به پیکسل انجام می دهید. اما نور علاوه بر شدت دارای فاز نیز می‌باشد. جالب اینجاست که اگر بتوانید تاخیر فاز نوری را که توسط مواد ایجاد می‌شود، اندازه‌گیری کنید، اجسام شفاف می‌توانند قابل مشاهده باشند.

میکروسکوپ حساس به فاز، که فریتز زرنیک برای آن جایزه نوبل را در سال 1953 دریافت کرد، به دلیل امکان به دست آوردن تصاویر با وضوح بالا از نمونه های مختلف شفاف و نازک نوری، انقلابی در تصویربرداری زیست پزشکی ایجاد کرد. زمینه تحقیقاتی که از کشف Zernike پدید آمد شامل تکنیک های تصویربرداری مدرن مانند هولوگرافی دیجیتال و تصویربرداری فاز کمی است. امروزه این نوع میکروسکوپ ها در داخل ایران نیز تولید می‌شوند و موفق شده اند با استفاده از این میکروسکوپ ها سلول های ماهیچه قلب را مورد بررسی قرار دهند.

دکتر Radek Lapkiewicz، رئیس آزمایشگاه تصویربرداری کوانتومی در دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو، در این رابطه می‌گوید: «این روش، مشخصه یابی بدون برچسب زنی و کمّی نمونه‌های زنده، مانند کشت‌های سلولی را ممکن می‌سازد و می‌تواند کاربردهایی در نوروبیولوژی یا تحقیقات سرطان پیدا کند.

با این حال، هنوز جای پیشرفت وجود دارد. "به عنوان مثال، تداخل سنجی، یک روش اندازه گیری استاندارد برای اندازه گیری ضخامت دقیق در هر نقطه از جسم مورد بررسی، تنها زمانی کار می کند که سیستم پایدار باشد و در معرض هیچ ضربه یا اختلالی قرار نگیرد. بنابراین انجام چنین آزمایشی در یک ماشین در حال حرکت یا یک میز ناپایدار بسیار چالش برانگیز است.  محققان دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو به همراه همکارانشان از دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایالتی اوکلاهاما تصمیم گرفتند با این مشکل مقابله کنند و روش جدیدی برای تصویربرداری فاز ایجاد کنند که در برابر بی ثباتی فاز مصون است.

محققان چگونه به ایده این تکنیک جدید رسیدند؟ در دهه 1960 لئونارد مندل و گروهش نشان دادند که حتی زمانی که شدت در تداخلسنجی قابل تشخیص نباشد، همبستگی ها می توانند حضور اجسام را آشکار کنند. Lapkiewicz در این رابطه می‌گوید: «با الهام از آزمایش‌های کلاسیک مندل، می‌خواستیم بررسی کنیم که چگونه اندازه‌گیری‌های همبستگی شدت می‌تواند برای تصویربرداری فاز استفاده شود. در یک اندازه گیری همبستگی، آنها به جفت پیکسل ها نگاه کردند و مشاهده کردند که چه زمانی آنها روشن تر یا تیره تر می شوند. ما نشان داده‌ایم که چنین اندازه‌گیری‌هایی حاوی اطلاعات اضافی هستند که با استفاده از یک عکس که با اندازه گیری شدت گرفته شده، بدست نمی‌آید. با استفاده از این واقعیت، نشان دادیم که در میکروسکوپ فاز مبتنی بر تداخل، مشاهده امکان‌پذیر است، حتی زمانی که تداخل‌گرهای استاندارد اطلاعات فاز را از دست داده اند و هیچ فریزی از شدت ها وجود ندارد. با یک رویکرد استاندارد، می توان فرض کرد که هیچ اطلاعات مفیدی در چنین تصویری وجود ندارد. با این حال، معلوم می شود که اطلاعات در همبستگی ها پنهان شده است و می‌توان با تجزیه و تحلیل چندین عکس مستقل از یک شی، آن را بازیابی کرد.

در آزمایش ما، نوری که از یک جسم می‌گذرد (هدف ما، که می خواهیم بررسی کنیم) با یک نور مرجع روی هم قرار می گیرد. یک تاخیر فاز تصادفی بین جسم و پرتوهای نور مرجع وارد می شود؛ این تاخیر فاز یک اختلال را شبیه سازی می کند که مانع استفاده از روش‌های تصویربرداری فاز استاندارد می‌شود، در نتیجه، هنگام اندازه‌گیری شدت، هیچ تداخلی مشاهده نمی‌شود، یعنی هیچ اطلاعاتی در مورد جسم، از اندازه‌گیری‌های شدت به دست نمی‌آید. با این حال، همبستگی شدت-شدت وابسته به فضای مکانی، یک الگوی تداخلي را نشان می دهد که حاوی اطلاعات کامل در مورد جسم است. این همبستگی شدت-شدت تحت تأثیر هیچ نویز فاز زمانی که از سرعت آشکارساز(كه در اين آزمايش حدود 10 نانوثانيه مي‌باشد)  کمتر باشد قرار نمی‌گیرد و می‌توان با جمع‌آوری داده‌ها در یک دوره زمانی طولانی و دلخواه اندازه‌گیری را انجام داد كه اندازه‌گیری طولانی‌تر به معنای فوتون‌های بیشتر و در نتيجه بالاتر منجر مي‌شود.

به زبان ساده، اگر بخواهیم یک فریم فیلم را ضبط کنیم، آن فریم اطلاعات مفیدی در مورد ظاهر شی مورد مطالعه به ما نمی دهد. بنابراین، ابتدا یک سری کامل از چنین فریم هایی را با استفاده از یک دوربین ضبط کردیم و سپس مقادیر اندازه گیری را در هر جفت نقطه از هر فریم ضرب کردیم. ما این همبستگی ها را میانگین گرفتیم و تصویر کاملی از جسم خود ثبت کردیم. راه های ممکن زیادی برای بازیابی نمایه فاز یک شی مشاهده شده از توالی تصاویر وجود دارد. با این حال، ما ثابت کردیم که روش ما بر اساس همبستگی شدت-شدت و به اصطلاح تکنیک هولوگرافی خارج از محور، دقت بازسازی بهینه ای را ارائه می دهد.

یک رویکرد تصویربرداری فاز مبتنی بر همبستگی شدت می تواند به طور گسترده در محیط های بسیار نويزي استفاده شود. روش جدید هم با نور کلاسیک (لیزر و  نور حرارتی(thermal light)) كار مي‌كند و هم با  نور کوانتومی. همچنين می توان از آن در مواردی استفاده کرد که نور کمی در دسترس است یا زمانی که نمی توان از شدت نور بالا استفاده کرد تا به جسم آسیب نرسد، به عنوان مثال یک نمونه بیولوژیکی ظریف یا یک اثر هنری.

منبع

jerzy Szuniewicz et al, Noise-resistant phase imaging with intensity correlation, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh5396