Mokslo ir technologijų pasaulis

Astronomai turi sugalvoję triuką, kaip įvertinti atmosferos turbulenciją, kuri iškreipia astronominių objektų vaizdus, gautus žemėje esančiais teleskopais. Jie sukūrė dirbtinę žvaigždę, vadinamą orientacine žvaigžde. Orientacinės žvaigždės mirgėjimas panaudojamas atmosferos turbulencijos įtakos nustatymui.

Profesorius Lihong Wangas iš Vašingtono universiteto, esančio Sant Luise (St. Louis) sugalvojo orientacinę žvaigždę panaudoti biomedicininiam vaizdui tirti. Manoma, kad šis išradimas esminiai pagerins biologinių vaizdų kokybę.

Wango orientacinė žvaigždė yra kuriama ultragarso spinduliu, kuris „pažymi“ šviesą, kai ji praeina pro ultragarso fokusavimo tašką. Audinį praėjusi ir iškraipyta šviesa registruojama kartu su pradiniu spinduliu – gaunama holograma. Kai orientacinė žvaigždė matoma hologramoje, holograma veikia kaip laiko kryptį keičiantis veidrodis, kuris kuria šviesos bangas, grįžtančias atgal pradiniu keliu per audinį į savo pradinį šaltinį – tašką, kuriame sufokusuotas ultragarso spindulys. Šis metodas, pavadintas TRUE (trumpinys sukurtas iš angliškų žodžių: time-reversed ultrasonically), leidžia mokslininkams fokusuoti šviesą į bet kurią nagrinėjamą biologinio audinio sritį.

Wangas mano, kad ši technika galės būti pritaikyta įvairiose medicinos srityse. Pavyzdžiui, fotošiluminėje terapijoje mokslininkai susiduria su problema, kaip pasiųsti reikalingą fotonų kiekį į auglį, kad įkaitintų ir sunaikintų žalingas ląsteles. Reikia arba labai ilgai kaitinti auglį, arba naudoti intensyvią šviesą, kad didesnis fotonų skaičius pasiektų pageidaujamą vietą. Pasiūlyta technika jiems leis sufokusuoti šviesą į auglį, idealiu atveju, neprarandant nė vieno pažymėto fotono.

„Šviesos fokusavimas šviesą sklaidančioje aplinkoje, tokioje kaip biologinis audinys, buvo sena svajonė nuo pat biomedicininės optikos pradžios, - pasakė Wangas. - Mes negalėjome atlikti fokusavimo giliau nei milimetras nuo audinio paviršiaus. O dabar galima fokusuoti šviesos spindulį bet kur be jokio išorinio įsikišimo“.

Naujasis metodas buvo atspausdintas „Nature Photonics“ žurnale.

Šviesa daugeliu atžvilgiu yra idealus elektromagnetinio spinduliavimo šaltinis biologinių audinių vaizdams gauti bei gydymui. Bet yra vienas didžiulis trūkumas. Šviesos fotonai atšoka nuo audinyje esančių netolygumų kaip biliardo kamuoliukai nuo biliardo sienelių. Sklaida esanti audinyje trukdo matyti netgi mažais atstumais. Pavyzdžiui, mes negalime matyti savo rankos kaulų. Atitinkamos spalvos šviesa gali prasiskverbti keletą centimetrų į biologinį audinį, bet, netgi naudojant geriausias dabar esamas technologijas, šviesa negali gauti geros skiriamosios gebos objektų, esančių giliau nei vienas milimetras po oda, vaizdų.

Ultragarso trūkumai ir pranašumai daugeliu atžvilgiu papildo šviesos trūkumus ir pranašumus. Ultragarsas yra apie tūkstantį kartų silpniau sklaidomas nei šviesa. Ultragarsu galima išmatuoti audinio tankį ir spūdumą, kuriuos nėra labai lengva nustatyti kitais metodais, nes, pavyzdžiui, ankstyvosios stadijos auglių tankis nelabai skiriasi nuo sveikų audinių tankio.

Pasiūlytas metodas pirmą kartą panaudoja abu vaizdų gavimo biomedicinoje triukus: ultragarsinį žymėjimą ir laiko apgręžiamumą. Wangas eksperimentuoja su ultragarsiniu žymėjimu nuo 1994 metų, kai jis dirbo M. D. Andersono vėžio tyrimų centre Hjustone. Eksperimentuose, kuriuose buvo naudojamas modelinis audinys su tokiomis pačiomis neskaidrumo savybėmis, kaip ir realus audinys, ultragarsas buvo fokusuojamas į modelinį audinį iš viršaus, o lazerio spindulys apšvietė audinį iš šono. Lazerio šviesa, įeidama į audinį, turėjo apibrėžtą dažnį. Ultragarsas, būdamas slėgio banga, keičia audinio tankį ir keičia sklaidos centrus. Šviesai praeinant pro tam tikrą tašką, į kurį yra sufokusuota ultragarso banga, keičiasi šviesos dažnis, tai yra šviesa tampa „pažymėta“.

Suderinus detektorių, kad jis registruotų tik naują šviesos dažnį, galima atrinkti tik tuos fotonus, kurie atėjo iš ultragarso fokusavimo taško. Todėl gaunama informacija tik iš tiriamos vietos. Šviesos moduliavimas ultragarsu leido Wangui gauti aiškesnius objektų vaizdus modeliniame audinyje, nei buvo galima tai padaryti vien tik su šviesa. Tačiau šis metodas leido atrinkti tik fotonus, kurie praėjo ultragarsinę sritį ir neleido šviesos fokusuoti.