Met yoghurt en crushed glass, Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben een stap gezet in de richting van het gebruik van zichtbaar licht om afbeeldingen in het lichaam te maken. Hun methode om licht door deze materialen te focussen is veel sneller en eenvoudiger dan de huidige dominante benadering.

Dichte structuren zoals bot komen duidelijk naar voren op röntgenfoto's, maar zachtere weefsels zoals organen en tumoren zijn moeilijk te onderscheiden. Dat komt omdat röntgenstralen sterk worden afgebogen door botten, terwijl ze dwars door zacht weefsel snijden.

Zichtbaar licht, anderzijds, wordt afgebogen door zacht weefsel. Tot voor kort, dit heeft het zien door de huid met zichtbaar licht een nonstarter gemaakt - terwijl licht erdoor kan komen, het is overal verspreid. Tegelijkertijd, zichtbaar licht zou veiliger zijn voor diagnostische beeldvorming dan röntgenstralen met hogere energie.

"Licht komt binnen, het raakt een molecuul, raakt een ander, raakt een ander, doet iets heel geks, en gaat deze kant op, " zei Moussa N'Gom, assistent-onderzoeker elektrotechniek en informatica en eerste auteur van een studie in Wetenschappelijke rapporten dat verklaart de uitdaging om de paden van individuele lichtstralen te voorspellen.

Door precies te begrijpen hoe een stukje huid het licht verstrooit, onderzoekers hopen lichtstralen zorgvuldig te modelleren zodat ze zich in het lichaam concentreren - een eerste stap om erin te kijken.

In hun experimenten, de onderzoekers spelden "MICHIGAN" met een lichtstraal die door yoghurt en gebroken glas scheen. Ze kozen voor die materialen omdat ze het licht sterk verstrooien en als goede modellen voor de huid dienen. Hun demonstratie, doet denken aan het schrijven van een naam met een zaklamp, laat zien dat ze een single kunnen nemen, snelle scan van het materiaal en focus er op veel punten doorheen - zoals ze zouden moeten doen als we weefsel in het lichaam in beeld brengen.

Een verbetering ten opzichte van de huidige aanpak

Het veld van het afbeelden van objecten door middel van materialen, van verflagen tot eierschalen en zelfs muizenschedels, heeft het afgelopen decennium grote stappen gemaakt. De typische "holografische" methode ontwart het verstrooiingspatroon door te kijken hoe de lichtgolven met elkaar interfereren - dit geeft informatie over hoe verschillende stralen werden vertraagd op hun weg door het materiaal.

Deze methode is zeer nauwkeurig, zei N'Gom, maar het is traag. Om de zaken te versnellen, onderzoekers ontdekken meestal net genoeg van het verstrooiingspatroon om zich op een bepaald punt te concentreren. Om je op een ander punt te concentreren, het materiaal moet opnieuw worden gescand. Dit zou het proces van het meten van de grootte of textuur van een tumor vertragen, bijvoorbeeld.

"Onze methode is aanzienlijk sneller en handiger omdat we een enkele set metingen gebruiken om al deze punten te genereren, en we hoeven niet opnieuw te scannen, ' zei N'Gom.

Zoals typisch is voor experimenten met focussering door materialen, de onderzoekers gebruikten een ruimtelijke lichtmodulator om lichtpatronen te produceren. Als je een laser door mat glas scheen, het zou op een punt aan de ene kant binnenkomen, onder een bepaalde hoek, en verlaat dan de andere kant via vele punten, in verschillende richtingen. Door een scherm te combineren met een reeks spiegels, een ruimtelijke lichtmodulator kan het omgekeerde doen, licht op veel punten naar een oppervlak sturen, onder vele hoeken, zodat deze stralen samenkomen op een punt aan de andere kant van het materiaal.

Ze hebben de ruimtelijke lichtmodulator opgezet om in honderden verschillende patronen te schijnen (in totaal 461). Maar in plaats van de paden te analyseren van individuele lichtstralen die van de andere kant komen, Het team van N'Gom heeft de helderheid gemeten - hoeveel licht er uit kwam.

Ze ontwikkelden een algoritme om door de inkomende lichtpatronen en uitgaande helderheidsmetingen te bladeren, de informatie gebruiken om een ​​wiskundige weergave van het verstrooiingspatroon van het materiaal op te bouwen, de transmissiematrix genoemd.

"Vorige technieken, in plaats daarvan, gebruikte complexe zogenaamde holografische opstellingen om de nodige informatie te extraheren, " zei Raj Rao Nadakuditi, universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en senior auteur van het onderzoek. "We waren in staat om hetzelfde te bereiken door eenvoudige helderheidsmetingen en daardoor veel sneller te werken."

Met behulp van de transmissiematrix, Het team van N'Gom kon precies uitzoeken hoe de ruimtelijke lichtmodulator moest worden ingesteld om een ​​lichtpuntje te krijgen op elk punt aan de andere kant van het matglas of de yoghurt.

In de yoghurt, er was een tijdslimiet voor hoe lang de kaart goed was - slechts een paar minuten. Het was genoeg tijd voor N'Gom en zijn collega's om "MICHIGAN" in 157 schoten te spellen.

Eerste beelden mogelijk binnen vijf jaar

in de huid, de tijdsbeperkingen zijn veel strakker - ze zouden ongeveer elke milliseconde een nieuwe kaart nodig hebben. Toch, met de modernste elektronica, N'Gom denkt dat hun algoritme zo snel kan werken.

Een andere uitdaging bij het kijken door de huid is dat ze er geen detector onder kunnen plaatsen om de helderheid van het licht te meten. Voor deze, N'Gom zei dat onderzoekers echografie gebruiken om verwarming in het doelweefsel te detecteren - een maat voor hoeveel licht er doorkomt.

Eindelijk, met het licht naar binnen gericht, een beeldvormingsapparaat zou nog steeds het licht moeten focussen dat uit de huid komt. Voor deze, ze konden in wezen het lichtpatroon terugvoeren door de transmissiematrix om af te leiden waar de reflectie vandaan kwam.

Gezien recente vooruitgang en lopende studies bij het focussen van licht door doorschijnende materialen, N'Gom verwacht dat we binnen vijf jaar de eerste beelden van zichtbaar licht door de huid kunnen zien.