RSS
پنجمین همایش سالیانه بانوان در فیزیک ایران نهمین کنفرانس فیزیک ریاضی ایران
وبینار ماهانه شاخه فیزیک محاسباتی انجمن
کنفرانس فیزیک ایران ۱۴۰۴ گردهمایی سراسری فیزیک ایران ۱۴۰۴ شانزدهمین کنفرانس فیزیک ذرات و میدان‌ها
پیشرفت در استخراج تصویر از فیبر نوری چند‌حالته موجب باریک‌تر شدن دستگاه آندوسکوپی می‌شود. دستگاه‌های آندوسکوپی طویل هستند. لوله‌های باریکی که بتوانند نور را به عمق یک بافت بیولوژیکی ببرند و از آن خارج کنند، در تشخیص‌های پزشکی و جراحی‌های مدرن ضروری هستند. دستگاه‌های آندوسکوپی باریک می‌توانند تنها چندین میلی‌متر قطر داشته باشند. اما حتی این دستگاه‌ها نیز در برخی مراحل پزشکی ممکن است مخرب باشند و وضوح تصویربرداری آنها پایین است. یک روش برای ساخت دستگاه بسیار نازکتر به تازگی در مجله Physical Review Letters منتشر شده است. یانگ وون چوی از دانشگاه کره در سئول و همکارانش نشان داده‌اند که می‌توانند یک تصویر واقعی از تصویری با کیفیت پایین گرفته شده را با استفاده از حالت‌های چندگانه انتشار نور و چندین فیبر نوری با ضخامت چند صد میکرون بازسازی کنند [1]. بازسازی آنها متکی بر این نظریه است که نور در یک محیط بی‌نظم چگونه منتشر می‌شود و به جای فیبرهای نوری چندگانه که در حال حاضر بعضی از دستگاه‌های آندوسکوپی را تشکیل می‌دهند، تنها از یک فیبر نوری بسیار نازکتر استفاده شده است.
روشن است که تصویربرداری از درون یک بافت بیولوژیکی دشوار است. برای مثال بافت بسیار ناهمگن است و بیشتر نوری که در آن منتشر می‌شود، پراکنده می‌گرداند. کسر کوچکی از نور از یک منبع همدوس تنها می‌تواند چند صد میکرون به درون بافت نفوذ کند که قادر به تصویربرداری از بافت‌های کم عمق با استفاده از تکنیک‌هایی مانند توموگرافی همدوس نوری، میکروسکوپ فوتونی یا میکروسکوپ هم‌کانون می‌باشند. در مقابل، تکنیک‌های توموگرافی نوری که برای نورهای بسیار پراکنده مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌تواند به عمق بیشتری از بافت نفوذ کند اما قادر به تشخیص ابعاد کوچک‌تر از سانتی‌متر یا میلی‌متر نیستند [2].
تاکنون روش بدست آوردن وضوح بالا در تصویربرداری میکروسکوپی از اعماق بافت هنگام آندوسکوپی به این صورت بوده است: اساساً نور از طریق لوله‌ی نازکی که درون بدن قرارمی‌گیرد، فرستاده می‌شود و یک سری المان‌های نوری تصویر را از انتهای دستگاه آندوسکوپی به دنیای بیرون انتقال می‌دهند. از دهه 1960 بسیاری از این دستگاه‌ها از دسته‌های متراکم فیبرهای نوری ساخته شده‌اند. دستگاه‌های آندوسکوپی با فیبرهای چندگانه می‌تواند تا صد هزار عدد فیبر را شامل شود که هر کدام توانایی انتقال یک پیکسل تصویر را دارند و قطر هر دسته به 1/5 میلی‌متر می‌رسد.
در حقیقت اگر به‌جای فیبرهای چندگانه از حالت‌های متمایز چندگانه نوری که از درون یک فیبر عبور می‌کند، استفاده شود، دستگاه‌های آندوسکوپی می‌تواند بسیار باریک‌تر باشند. (این حالت‌ها شبیه طرح‌های متفاوت موج ایستاده روی سطح یک طبل هستند.) متاسفانه هنگامی که حالت‌های چندگانه درون فیبر حرکت می‌کنند، مختل و به طرز غیرقابل پیش‌بینی با یکدیگر ترکیب شده و یک عکس با کیفیت پایین را به وجود می‌آورند. بنابراین تلاش برای استفاده از فیبرهای چند‌حالته در این دستگاه‌ها کاری غیر‌ممکن به نظر می‌رسد.
خوشبختانه راه حل جالبی برای اینکه اطلاعات یک تصویر چگونه از طریق یک فیبر چند‌حالته فرستاده شود، با استفاده از مطالعه چگونگی عبور نور از یک محیط بی‌نظم پدید آمده است. اگر یک پرتو لیزر همدوس در مرکز یک فیبر چند‌حالته متمرکز شود، این امکان وجود دارد که در انتهای دیگر فیبر یک طرح تداخلی پیچیده که «نقطه‌چین» نامیده می‌شود، تشکیل شود. این طرح حین بازتاب‌های چندگانه و تصادفی نور هنگام عبور از فیبر پدید می‌آید و شبیه طرحی است که هنگام عبور نور از یک محیط پراکنده به‌وجود می‌آید مانند گلبول‌های چربی موجود در یک لیوان شیر. در واقع دو پدیده به هم مرتبط هستند. آنها از این واقعیت ناشی میشوند که فیبر چند حالته و سیستم پراکنده، هر دو سیستم‌های خطی پیچیده‌ای هستند که نوری که به آنها برخورد می‌کند به طریقی پیچیده ترکیب می‌کنند. حتی اگر این ترکیب پیچیده باشد، وارون آن امکان‌پذیر است.
فرآیندی که طی آن نور به مسیرش برگردانده می‌شود و بنابراین هنگام انتشار دیگر دچار اختلال نمی‌شود،ترکیب فاز نام دارد [3]. تا حدود پنج سال پیش ترکیب فاز تنها در حالت‌های محدودی خوب جواب می‌داد. اما با ابداع مدولاتورهای نوری فضایی این امکان فراهم شده که جبهه موج بهینه‌سازی شود به‌گونه‌ای که می‌تواند به انتهای دیگر چنین محیط پیچیده‌ای به طور کاملاً متمرکز برسد [5]. اخیراً محققان متوجه شده‌اند که می‌توانند از مدولاتورهای نوری فضایی برای اندازه‌گیری ماتریس انتقال تک‌فام T مربوط به محیط پیچیده در سیستم‌های پراکنده [5] و فیبرهای چند‌حالته [6] استفاده کنند. المان Tmn ماتریس T با میدان خروجی در پیکسل m (Emout) و میدان ورودی در پیکسل n (Enin) از طریق یک فرمول زیر ارتباط پیدا می‌کند: 
. مشخص کردن ماتریس انتقال کار اصلی چوی و همکارانش است. هنگامی‌که ماتریس انتقال یک سیستم پیچیده مشخص شود، نه‌تنها می‌توان نور را در انتهای دیگر فیبر متمرکز کرد بلکه می‌توان از آن به عنوان دستگاه تصویربرداری بسیار کارامدی استفاده کرد.
چوی و همکارانش ابتدا مشخصه‌های یک فیبر چند‌حالته 200 میکرونی را با استفاده از پیمایش یک لیزر از طریق 1500 زاویه ورودی و اندازه‌گیری دامنه و فاز بدست آمده در طرف دیگر آن با کمک یک دوربین سریع تعیین کردند. این کار کمتر از 30 ثانیه طول کشید. پس از آن محققان ماتریس انتقال را بدست آوردند. آنها متوجه شدند که حتی می‌توان فیبر را کمی خم کرد و باز هم تصویر ماتریس انتقال را با دقت بازسازی کرد. این تکنیک پتانسیل لازم برای نمایش طیف گسترده‌ای از تصاویر را دارد: با حرکت فیبر تصاویر مختلفی در نقاط مختلفی گرفته میشوند و این تصاویر می‌توانند با یکدیگر روی کامپیوتر به طور عددی ترکیب شوند.
در حال حاضر برای انجام آندوسکوپی، آنها باید دو بار ماتریس انتقال را اندازه‌گیری کنند (شکل1). بار اول در مسیر رفت، به ورودی فیبر با زاویه‌های مختلف نور تابانده می‌شود. تابش به خوبی به جسمی که در انتهای دیگر فیبر قرار دارد می‌رسد. بار دوم در مسیر برگشت، جسم نور را به درون فیبر منعکس می‌کند و به واسطه ماتریس انتقال، تصویر با کیفیت پایین را بازسازی می‌کند. آنها یک تصویر بسیار تمیز با وضوح 1/8 میکرون به وجود می‌آورند.
مزیت اضافی این روش آن است که معادل هولوگرافی دیجیتال است یعنی فاز و دامنه جسم بهبود یافته است. و امکان‌پذیر است که جسم را در صفحات مختلف بازسازی کنند و به این ترتیب اطلاعات سه بعدی به دست آورند. آنها روده‌ی موش را با این روش آندوسکوپی کردند [6,7,8]. در این کار برای اولین بار از فیبر نوری چند‌حالته به عنوان دستگاه آندوسکوپی استفاده شده است. در اینجا نوری که از جسم بازتاب می‌شود، به تصویر تبدیل می‌شود.
تصویربرداری عمیق در محیط پیچیده با کنتراست اپتیکی و وضوح میکرونی به خصوص در کاربردهای پزشکی بسیار جالب است. روش‌های شکل دادن به جبهه موج در رادار و آکوستیک [10] رواج دارد و اخیراً در اپتیک نیز وارد شده است [11]. امروز از تکنیک مشابهی برای بهبود آندوسکوپی استفاده می‌شود که آن را کم‌حجم‌تر و ایمن‌تر می‌کند. این تکنیک ممکن است منجر به روش‌های جدیدی برای یک آندوسکوپی با وضوح بالا و غیر‌تهاجمی در آینده نزدیک شود.
منبع: http://physics.aps.org/articles/v5/127
مراجع:
-
Y. Choi, C. Yoon, M. Kim, T. D. Yang, C. Fang-Yen, R. R. Dasari, K. J. Lee, and W. Choi, “Scanner-Free and Wide-Field Endoscopic Imaging by Using a Single Multimode Optical Fiber,” Phys. Rev. Lett. 109, 203901 (2012).
- V. Ntziachristos, “Going Deeper Than Microscopy: The Optical Imaging Frontier in Biology,” Nat. Methods 7, 603 (2010).
- E. N. Leith and J. Upatneiks, “Holographic Imagery through Diffusing Media,” J. Opt. Soc. Am. 56, 523 (1966).
- I. M Vellekoop and A. P. Mosk, “Focusing Coherent Light through Opaque Strongly Scattering Media,” Opt. Lett. 32, 2309 (2007).
- S. Popoff et al., “Measuring the Transmission matrix in Optics: An Approach to the Study and Control of Light Propagation in Disordered Media,” Phys. Rev. Lett. 104, 100601 (2010).
- T. Čižmár and K. Dholakia, “Shaping the Light Transmission through a Multimode Optical Fibre: Complex Transformation Analysis and Applications in Biophotonics,” Opt. Express 19, 18871 (2011).
- S. Bianchi and R. Di Leonardo, “A Multi-Mode Fiber Probe for Holographic Micromanipulation and Microscopy,” Lab Chip 12, 635 (2012).
- I. N. Papadopoulos, S. Farahi, C. Moser, and D. Psaltis, “Focusing and Scanning Light through a Multimode Optical Fiber Using Digital Phase Conjugation,” Opt. Express 20, 10583 (2012).
- T. Čižmár and K. Dholakia, “Exploiting Multimode Waveguides for Pure Fibre-Based Imaging,” Nat. Comm. 3, 1027 (2012).
- M. Fink, ”Time Reversed Acoustics,” Phys. Today 50, No. 3, 34 (1997).
- A. P. Mosk, A. Lagendijk, G. Lerosey, and M. Fink, ”Controlling Waves in Space and Time for Imaging, and Focusing in Complex Media,” Nature Photon. 6, 283 (2012).
نویسنده خبر: مونا عجمی
آمار بازدید: ۳۰۹
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
Server:
Iran (45.82.138.40)
