Egy forradalmi módszer, amely felfedi a zajba rejtett képeket

Ez az innovatív, kvantum-ihlette képalkotó technológia gyenge fényviszonyok között is kiváló, új határokat kínálva az orvosi képalkotás és a műtárgymegőrzés terén.

A Varsói Egyetem Fizikai Karának kutatói a Stanford Egyetem és az Oklahoma Állami Egyetem munkatársaival egy kvantum-inspirált fázisképalkotási módszert mutatnak be, amely az erős fényintenzitás és a fáziszaj összefüggésének mérésén alapul. Az új képalkotó módszer nagyon gyenge fényviszonyok mellett is működhet, és hasznos lehet az olyan feltörekvő alkalmazásokban, mint az infravörös és röntgen interferometria, kvantum és anyaghullám interferometria.

Forradalom a fényképezési technikákban

Függetlenül attól, hogy macskákat fényképez az okostelefonjával, vagy sejttenyészeteket fényképez egy fejlett mikroszkóppal, ezt úgy teszi, hogy pixelben méri a fény intenzitását (fényességét). A fényt nemcsak intenzitása, hanem fázisa is jellemzi. Érdekes módon az átlátszó objektumok láthatóvá válhatnak, ha meg tudja mérni az általuk bevitt fény fáziskésését.

A fáziskontraszt mikroszkópia, amelyért Fritz Zernecke 1953-ban Nobel-díjat kapott, forradalmasította az orvosbiológiai képalkotást, mivel lehetőség nyílt nagy felbontású képek készítésére különböző átlátszó és optikailag vékony mintákról. A Zernike felfedezése nyomán kialakult kutatási terület olyan modern képalkotó technikákat foglal magában, mint a digitális holográfia és a kvantitatív fázisú képalkotás.

„Lehetővé teszi élő minták, például sejtkultúrák kvantitatív, jelölésmentes jellemzését, és alkalmazást találhat a neurobiológiában vagy a rákkutatásban” – magyarázza Dr. Radek Lapkiewicz, a Kvantitatív Képalkotó Laboratórium vezetője, a University of the University of Physics. Varsó.

Zajrezisztív fázisképalkotás intenzitáskorrelációval, kredit: Varsói Egyetem Fizikai Kar

Kihívások és újítások a fotózás szakaszában

Van azonban még mit javítani. „Például az interferometria, amely szabványos mérési módszer a pontos vastagságmérésekhez a vizsgált objektum bármely pontján, csak akkor működik, ha a rendszer stabil, nincs kitéve semmilyen rázkódásnak vagy zavarásnak” – magyarázza Jerzy Szoniewicz, a vizsgált objektum doktorandusza. A Varsói Egyetem Fizikai Kara.Nagyon nehéz ilyen tesztet végrehajtani, például mozgó autóban vagy vibrációs asztalon.

A Varsói Egyetem Fizikai Karának kutatói a Stanford Egyetem és az Oklahoma Állami Egyetem munkatársaival együtt úgy döntöttek, hogy foglalkoznak ezzel a problémával, és új módszert dolgoznak ki a fázisképalkotáshoz, amely immunis a fázisinstabilitások ellen. Kutatásaik eredményeit a tekintélyes folyóiratban publikálták A tudomány fejlődése.

Vissza a régi iskolába

Hogyan jutottak a kutatók az új technológia ötletéhez? Leonard Mandel és csoportja az 1960-as években bebizonyította, hogy még akkor is, ha az interferencia intenzitása nem észlelhető, a korrelációk felfedhetik annak jelenlétét.

„A klasszikus Mandel-kísérletek ihlette azt akartuk tanulmányozni, hogyan használhatók az intenzitáskorrelációs mérések a fázisképalkotásban” – magyarázza Dr. Lapkiewicz. A korrelációmérés során pixelpárokat nézünk, és megfigyeljük, hogy egyszerre világosabbak vagy sötétebbek lesznek-e.

„Megmutattuk, hogy az ilyen mérések olyan további információkat tartalmaznak, amelyeket egyetlen képpel, azaz denzitometriával nem lehet megszerezni. Ennek a ténynek a felhasználásával bebizonyítottuk, hogy az interferencia alapú fázismikroszkópiában a megfigyelések akkor is lehetségesek, ha a standard interferometriai minták elveszítik az összes fázisinformációt és ne. Van egy regisztrált súlyossági határ.

„A standard megközelítéssel azt feltételezhetjük, hogy egy ilyen képen nincs hasznos információ, azonban kiderül, hogy az információ az összefüggésekben rejtőzik, és egy objektum több, egymástól független képének elemzésével visszanyerhető, ami lehetővé teszi számunkra, hogy megkapjuk. ideális interferogramok, a Bár a normál interferencia a zaj miatt nem észlelhető” – teszi hozzá Labkiewicz.

„Kísérletünkben egy fázistárgyon áthaladó fényt (a mi célpontunkat, amelyet meg akarunk vizsgálni) referenciafénnyel látunk el. A tárgy sugarai és a referenciafény közé véletlenszerű fáziskésleltetést vezetünk be – ez a fáziskésleltetés egy zavar, amely akadályozza a standard fázisú képalkotási módszereket.

„Ezért az intenzitás mérése során nem figyelhető meg interferencia, azaz az intenzitásmérésekből nem nyerhető információ a fázisobjektumról. A térben függő intenzitás-sűrűség korreláció azonban egy marginális mintázatot jelenít meg, amely a fázisobjektumra vonatkozó teljes információt tartalmazza.

„Ezt az intenzitás-intenzitás korrelációt nem befolyásolja semmilyen időfázisú zaj, amely lassabban változik, mint a detektor sebessége (kb. 10 ns a kísérletben), és mérhető az adatok tetszőlegesen hosszú időtartamon keresztüli felhalmozásával – ami egy játék -changer – a hosszabb mérés Több fotont jelent, ami azt jelenti, hogy magasabb Pontosság“ – magyarázza Jerzy Ssoniewicz, a mű első szerzője.

Egyszerűen fogalmazva, ha egyetlen filmkockát rögzítenénk, az egyetlen képkocka nem adna hasznos információt a vizsgált tárgy alakjáról. „Tehát először egy teljes sorozatot rögzítettünk ezekből a képkockákból a kamera segítségével, majd minden egyes képkockából megszoroztuk a mérési értékeket minden egyes pontpárnál. Ezeket az összefüggéseket átlagoltuk, és felvettük a testünk teljes képét” – magyarázza Jerzy Szuniewicz. .

„Számos mód létezik egy megfigyelt objektum fázisprofiljának visszanyerésére egy képsorozatból. „Bizonyítottuk azonban, hogy az intenzitás-intenzitás korreláción és az úgynevezett tengelyen kívüli holografikus technikán alapuló módszerünk optimális rekonstrukciós pontosságot biztosít ” – mondja Stanislaw Kurdzialek., a cikk második szerzője.

Ragyogó ötlet sötét környezethez

Az intenzitáskorreláción alapuló fázisképalkotási megközelítés széles körben alkalmazható nagyon zajos környezetben. Az új módszer klasszikus (lézeres és termikus) és kvantumfénnyel egyaránt működik. Ebben is megvalósítható Foton Számláló rendszer, például egyfotonos lavinadiódák használatával. „Olyan esetekben használhatjuk, amikor kevés fény áll rendelkezésre, vagy ha nem tudunk nagy fényintenzitást használni, hogy ne sértsük meg a tárgyat, például egy kényes biológiai mintát vagy egy műalkotást” – magyarázza Jerzy Zuniewicz.

„Technológiánk kibővíti a fázismérés horizontját, beleértve az olyan feltörekvő alkalmazásokat, mint az infravörös és röntgen képalkotás, a kvantum- és anyaghullám-interferometria” – összegzi Dr. Lapkiewicz.

Hivatkozás: „Zajálló fázisképalkotás intenzitáskorrelációval”, Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Šoliński, Radosław Čapkiewicz, Majukh Lahiri és Radek Lapkiewicz, 2023. szeptember 22. A tudomány fejlődése.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Ezt a munkát a Lengyel Tudományos Alapítvány támogatta az I-Team „Térbeli fotonkorrelációs mérések kvantáláshoz és szuperfelbontású mikroszkópiához” projekt keretében, amelyet az Európai Unió társfinanszírozott az Európai Regionális Fejlesztési Alap keretében (POIR.04.04.00). -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz is elismeri a lengyel Nemzeti Tudományos Központ támogatását, a 2022/45/N/ST2/04249 sz. S. Kurdzialek elismeri a National Science Center Grant (Lengyelország) 2020/37/B/ST2/02134 számú támogatását. M. Mahiri. tudomásul veszi az Egyesült Államok Haditengerészeti Kutatási Hivatalának támogatását a N00014-23-1-2778 számú kitüntetéssel.