نوشته سارا ردموند، دانشگاه کانکتیکات
فناوری تصویربرداری نحوهٔ مشاهدهٔ کیهان را متحول کرده است؛ از نقشهبرداری از کهکشانهای دوردست با آرایههای رادیوتلسکوپی تا دستیابی به جزئیات میکروسکوپی داخل سلولهای زنده. با این وجود، پس از دههها پیشرفت، مانع بنیادینی هنوز پابرجاست: گرفتن تصاویر با وضوح بالا و میدان وسیع در طولموجهای نوری بدون لنزهای سنگین یا محدودیتهای دقیق همترازی.
یک مطالعهٔ نوین توسط گووان ژنگ، استاد مهندسی زیستپزشکی و مدیر مرکز نوآوری در مهندسی و زیستپزشکی (CBBI) در دانشگاه کانکتیکات، به همراه تیم پژوهشیاش در دانشکده مهندسی، در Nature Communications منتشر شد و راهحلی نوآورانه ارائه میدهد که میتواند تصویرسازی نوری را در حوزههای علم، پزشکی و صنعت بازتعریف کند.
«در قلب این پیشرفت، یک مشکل فنی دیرینه نهفته است»، ژنگ گفت. «تصویرسازی با بازده ترکیبی — روشی که به تلسکوپ افق رخداد اجازه داد تصویر یک سیاهچاله بگیرد — با ترکیب همگن اندازهگیریها از حسگرهای متعدد و جداگانه، یک بازده تصویربرداری بسیار بزرگتر را شبیهسازی میکند.»
در رادیوآسترونومی، این امکانپذیر است زیرا طول موج امواج رادیویی بسیار طولانیتر است و همگامسازی دقیق میان حسگرها فراهم میشود. اما در طولموجهای نور مرئی، جایی که مقیاس موردنظر به مراتب کوچکتر است، الزامات سنتی همگامسازی بهطور فیزیکی تقریباً غیرممکن میشوند.
MASI چگونه موانع نوری را برطرف میکند
دستگاه ترکیبی بازدهی چندمقیاسی (MASI) این چالش را وارونه میکند. بهجای اینکه چند حسگر نوری را مجبور به کار در هماهنگی فیزیکی کامل کند — کاری که به دقت در سطح نانومتری نیاز دارد — MASI به هر حسگر اجازه میدهد نور را بهصورت مستقل اندازهگیری کند و سپس با الگوریتمهای محاسباتی، دادهها را پس از آن همگامسازی میکند.
ژنگ توضیح داد که این شبیه این است که چند عکاس یک صحنهٔ یکسان را ثبت کنند، نه بهصورت عکسهای معمولی بلکه بهصورت اندازهگیریهای خام از خواص موج نور، و سپس بهوسیلهٔ نرمافزار این برداشتهای مستقل را در یک تصویر فوقالعادهوضوح ترکیب میکند.
این روش همگامسازی فازی محاسباتی، نیاز به تنظیمات سختگیرانهٔ اینترفرومتریک را که تاکنون مانع بهکارگیری عملی سیستمهای بازده ترکیبی نوری شده بود، از بین میبرد.
رویکرد تصویربرداری منحصربهفرد MASI
MASI به دو روش تحولزا از تصویربرداری نوری سنتی متمایز میشود. بهجای تکیه بر لنزها برای متمرکز کردن نور بر حسگر، MASI یک آرایهای از حسگرهای کدگذاریشده را در نقاط مختلف یک صفحهٔ پراش مستقر میکند.
هر حسگر الگوهای خام پراش را ضبط میکند — بهعبارتی شکل گسترش امواج نور پس از تعامل با شیء. این اندازهگیریهای پراش شامل هر دو اطلاعات دامنه و فاز هستند که با الگوریتمهای محاسباتی بازیابی میشوند.
پس از بازیابی میدان موجی ترکیبی هر حسگر، سیستم بهصورت دیجیتالی بهاین سیگنالها حاشیه (padding) میدهد و آنها را بهصورت عددی به صفحهٔ شیء برمیگرداند. سپس یک روش محاسباتی همگامسازی فازی بهصورت تکراری انحرافات فاز نسبی دادههای هر حسگر را تنظیم میکند تا همهمهگی و انرژی کلی در بازسازی یکپارچه حداکثر شود.
این گام، نوآوری اصلی است: با بهینهسازی میدانهای موجی ترکیبی در نرمافزار بهجای تراز فیزیکی حسگرها، MASI محدودیت پراش و سایر قیود اعمالشده توسط اپتیک سنتی را پشت سر میگذارد.
نتیجهٔ چیست؟ بازده ترکیبی مجازیای بزرگتر از هر حسگر منفرد، که امکان وضوح زیر میکرونی و پوشش میدان وسیع بدون لنزها را فراهم میآورد.
مزایا و پتانسیل آینده MASI
لنزهای سنتی، چه در میکروسکوپها، دوربینها یا تلسکوپها، طراحان را بهسختی در تعادلات وادار میکنند. برای تشخیص جزئیات ریزتر، لنزها باید نزدیکتر به شیء قرار گیرند، گاهی در حدود میلیمتر، که فاصلهٔ کار را محدود میسازد و برخی وظایف تصویربرداری را غیرعملی یا تهاجمی میکند.
رویکرد MASI بهصورت کامل از لنزها صرفنظر میکند؛ الگوهای پراش را از فاصلهای بهسختی در حد سانتیمتر ضبط کرده و تصاویر را با وضوحی تا زیر میکرون بازسازی میکند. این شبیه این است که بتوانید برجستگیهای ریز یک مو را از روی سطح میز بررسی کنید، بدون اینکه مو را چند اینچ به چشم خود نزدیک کنید.
«پتانسیل کاربردهای MASI در حوزههای مختلفی چون علم جرمشناسی، تشخیصهای پزشکی، بازرسی صنعتی و حسگری از راه دور گسترده است»، ژنگ گفت.
«اما نکتهٔ جذابتر مقیاسپذیری است — بر خلاف اپتیک سنتی که با رشد بهطور نمایی پیچیده میشود، سیستم ما بهصورت خطی مقیاس مییابد و میتواند آرایههای بزرگی را برای کاربردهایی که هنوز تصورشان را نکردهایم، فراهم کند.»
دستگاه ترکیبی بازدهی چندمقیاسی (MASI) نماد تغییر اساسی در تصویرسازی نوری است؛ حوزهای که در آن محاسبات، محدودیتهای بنیادین اعمالشده توسط اپتیک فیزیکی را رفع میکند. با جدا کردن اندازهگیری از همزمانسازی و جایگزینی لنزهای بزرگ و سنگین با آرایههای حسگر کنترلشده توسط نرمافزار، MASI دامنهای نوین از تصویربرداری را باز میکند که با وضوح بالا، انعطافپذیری و مقیاسپذیری برخوردار است.