Gennemsigtig materiale med synligt lys

Med yoghurt og knust glas, University of Michigan forskere har taget et skridt i retning af at bruge synligt lys til billedet inde i kroppen. Deres metode til at fokusere lys gennem disse materialer er meget hurtigere og enklere end nutidens dominerende tilgang.

Tætte strukturer som knogle viser sig tydeligt ved røntgenstråler, men blødere væv som organer og tumorer er svære at finde ud af. Det er fordi røntgenstråler er stærkt afbøjet af knogler, mens de skærer lige igennem blødt væv.

Synligt lys, på den anden side, afbøjes af blødt væv. Indtil for nylig, dette har gjort at se gennem huden med synligt lys til en ustabil - mens lys kan komme igennem, det er spredt på alle måder. På samme tid, synligt lys ville være mere sikkert til diagnostisk billeddannelse end røntgenstråler med højere energi.

"Lyset kommer ind, det rammer et molekyle, rammer en anden, rammer en anden, gør noget virkelig skørt, og forlader denne vej, "sagde Moussa N'Gom, assisterende forsker inden for elektroteknik og datalogi og første forfatter på et studie i Videnskabelige rapporter det forklarer udfordringen med at forudsige individuelle lysstråles veje.

Ved at forstå nøjagtigt, hvordan en hudfleks spreder lyset, forskere håber omhyggeligt at mønstre lysstråler, så de fokuserer inde i kroppen - et første skridt mod at se ind i det.

I deres eksperimenter, forskerne stavede "MICHIGAN" med en lysstråle skinnede gennem yoghurt og knust glas. De valgte disse materialer, fordi de spredte lys stærkt og fungerer som gode modeller for huden. Deres demonstration, minder om at skrive et navn med en lommelygte, viser, at de kan tage en enkelt, hurtig scanning af materialet og fokus igennem det på mange punkter - som de skulle gøre, hvis billedvæv inde i kroppen.

En forbedring i forhold til dagens tilgang

Området for billeddannelse af objekter gennem materialer, fra lag med maling til æggeskaller og endda museskaller, har gjort store fremskridt i det sidste årti. Den typiske "holografiske" metode frigør spredningsmønsteret ved at se på, hvordan lysbølgerne forstyrrer hinanden - dette giver information om, hvordan forskellige stråler blev forsinket på deres vej gennem materialet.

Denne metode er meget præcis, sagde N'Gom, men det er langsomt. For at fremskynde tingene, forskere regner typisk ud lige nok af spredningsmønsteret til at fokusere på et bestemt punkt. For at fokusere på et andet punkt, materialet skal scannes igen. Dette ville bremse processen med at måle størrelsen eller strukturen af ​​en tumor, for eksempel.

"Vores metode er betydeligt hurtigere og mere bekvem, fordi vi bruger et enkelt sæt målinger til at generere alle disse punkter, og vi behøver ikke at scanne igen, "Sagde N'Gom.

Som det er typisk for fokusering-gennem-materialer eksperimenter, forskerne brugte en rumlig lysmodulator til at producere lysmønstre. Hvis du skinnede en laser gennem frostet glas, det ville komme ind på et tidspunkt på den ene side, i en bestemt vinkel, og derefter forlade den anden side gennem mange punkter, i forskellige retninger. Ved at kombinere en skærm med en række spejle, en rumlig lysmodulator kan gøre det modsatte, sender lys til en overflade på mange punkter, i mange vinkler, så disse stråler konvergerer på et punkt på den anden side af materialet.

De konfigurerede den rumlige lysmodulator til at skinne i hundredvis af forskellige mønstre (461 i alt). Men i stedet for at analysere stierne for individuelle lysstråler, der kommer fra den anden side, N'Goms team målte lysstyrken - hvor meget lys der kom ud.

De udviklede en algoritme til at trawl gennem de indgående lysmønstre og udgående målinger af lysstyrke, bruge oplysningerne til at opbygge en matematisk fremstilling af materialets spredningsmønster, kaldet transmissionsmatrixen.

"Tidligere teknikker, i stedet, brugte komplekse såkaldte holografiske opsætninger til at udtrække de nødvendige oplysninger, "sagde Raj Rao Nadakuditi, lektor i elektroteknik og datalogi og seniorforfatter på undersøgelsen. "Vi var i stand til at opnå det samme ved hjælp af enkle lysstyrkmålinger og fungerer som et resultat meget hurtigere."

Ved hjælp af transmissionsmatrixen N'Goms team kunne finde ud af præcis, hvordan den rumlige lysmodulator skulle indstilles til at få et lyspunkt på ethvert tidspunkt på den anden side af det malede glas eller yoghurt.

I yoghurten, der var en tidsbegrænsning for, hvor længe kortet var godt - bare et par minutter. Det var nok tid for N'Gom og hans kolleger til at stave "MICHIGAN" i 157 skud.

Første billeder mulige inden for fem år

I huden, tidsbegrænsningerne er meget strammere - de ville have brug for et nyt kort omkring hvert millisekund. Ikke desto mindre, med state-of-the-art elektronik, N'Gom tror, ​​at deres algoritme kunne køre så hurtigt.

En anden udfordring ved at gennemskue huden er, at de ikke ville være i stand til at placere en detektor under den for at måle lysets lysstyrke. For det, N'Gom sagde, at forskere bruger ultralyd til at detektere opvarmning i målvævet - et mål for, hvor meget lys der kommer igennem.

Endelig, med lyset fokuseret indeni, en billeddannelsesenhed ville stadig have brug for at fokusere lyset, der kommer tilbage ud af huden. For det, de kunne i det væsentlige føre lysmønsteret tilbage gennem transmissionsmatricen for at udlede, hvor refleksionen kom fra.

I betragtning af de seneste fremskridt og igangværende undersøgelser af fokusering af lys gennem gennemskinnelige materialer, N'Gom forventer, at vi kan se de første billeder af synligt lys taget gennem huden inden for de næste fem år.