O metodă revoluționară care dezvăluie imagini ascunse în zgomot

Această tehnologie inovatoare de imagistică de inspirație cuantică excelează în condiții de lumină scăzută, oferind noi frontiere în imagistica medicală și conservarea artei.

Cercetătorii de la Facultatea de Fizică de la Universitatea din Varșovia, împreună cu colegii de la Universitatea Stanford și Universitatea de Stat Oklahoma, prezintă o metodă de imagistică de fază de inspirație cuantică, bazată pe măsurători ale corelației intensității luminii puternice cu zgomotul de fază. Noua metodă de imagistică poate funcționa chiar și cu lumină foarte scăzută și ar putea fi utilă în aplicații emergente, cum ar fi interferometria în infraroșu și cu raze X, interferometria cuantică și a undelor de materie.

O revoluție în tehnicile fotografice

Indiferent dacă fotografiați pisici cu smartphone-ul sau fotografiați culturi celulare cu un microscop avansat, faceți acest lucru măsurând intensitatea (luminozitatea) luminii în pixeli. Lumina se caracterizează nu numai prin intensitatea sa, ci și prin faza sa. Interesant este că obiectele transparente pot deveni vizibile dacă sunteți capabil să măsurați decalajul de fază a luminii pe care o introduc.

Microscopia cu contrast de fază, pentru care Fritz Zernecke a câștigat Premiul Nobel în 1953, a revoluționat imagistica biomedicală datorită posibilității de a obține imagini de înaltă rezoluție ale diferitelor specimene transparente și subțiri optic. Domeniul de cercetare care a rezultat din descoperirea lui Zernike include tehnici moderne de imagistică, cum ar fi holografia digitală și imagistica în fază cantitativă.

„Permite caracterizarea cantitativă, fără etichete, a probelor vii, cum ar fi culturile celulare, și ar putea găsi aplicații în neurobiologie sau cercetarea cancerului”, explică dr. Radek Lapkiewicz, șeful Laboratorului de imagistică cantitativă de la Facultatea de Fizică de la Universitatea din Varşovia.

Imagistica de fază rezistentă la zgomot cu corelație de intensitate, credit: Facultatea de Fizică, Universitatea din Varșovia

Provocări și inovații în etapa de fotografie

Cu toate acestea, mai este loc de îmbunătățire. „De exemplu, interferometria, care este o metodă de măsurare standard pentru măsurări precise ale grosimii în orice punct al obiectului investigat, funcționează numai atunci când sistemul este stabil, nu este expus la nici un șoc sau perturbare”, explică Jerzy Szoniewicz, doctorand la Facultatea de Fizică de la Universitatea din Varșovia Este foarte dificil să faci un astfel de test, de exemplu, într-o mașină în mișcare sau pe o masă vibrantă.

Cercetătorii de la Școala de Fizică a Universității din Varșovia împreună cu colegii de la Universitatea Stanford și Universitatea de Stat din Oklahoma au decis să abordeze această problemă și să dezvolte o nouă metodă pentru imagistica de fază care este imună la instabilitățile de fază. Rezultatele cercetării lor au fost publicate în prestigioasa jurnală Avansarea științei.

Înapoi la școala veche

Cum au venit cercetătorii ideea noii tehnologii? Leonard Mandel și grupul său au demonstrat în anii 1960 că chiar și atunci când interferența nu este detectabilă în intensitate, corelațiile pot dezvălui prezența acesteia.

„Inspirat de experimentele clasice Mandel, am vrut să studiem modul în care măsurătorile corelației intensității pot fi utilizate în imagistica de fază”, explică dr. Lapkiewicz. În măsurarea corelației, ne uităm la perechi de pixeli și observăm dacă devin mai strălucitori sau mai întunecați în același timp.

„Am demonstrat că astfel de măsurători conțin informații suplimentare care nu pot fi obținute folosind o singură imagine, adică densitometrie. Folosind acest fapt, am demonstrat că în microscopia de fază bazată pe interferență, observațiile sunt posibile chiar și atunci când modelele standard de interferometrie pierd toate informațiile de fază. și nu Există o marjă de severitate înregistrată.

„Cu abordarea standard, s-ar putea presupune că nu există informații utile într-o astfel de imagine, dar se dovedește că informația este ascunsă în corelații și poate fi recuperată prin analizarea mai multor imagini independente ale unui obiect, permițându-ne să obținem interferograme ideale, activate Deși interferența normală este nedetectabilă din cauza zgomotului”, adaugă Labkiewicz.

„În experimentul nostru, lumina care trece printr-un obiect de fază (ținta noastră, pe care vrem să o examinăm) este echipată cu o lumină de referință. O întârziere aleatorie de fază este introdusă între razele obiectului și lumina de referință – această întârziere de fază imită un perturbare care împiedică metodele standard de imagistică în fază.

„Prin urmare, nu se observă nicio interferență atunci când se măsoară intensitatea, adică informațiile despre obiectul de fază nu pot fi obținute din măsurători de intensitate. Cu toate acestea, corelația intensitate-densitate dependentă din punct de vedere spațial afișează un model marginal care conține informațiile complete despre obiectul de fază.

„Această corelație intensitate-intensitate nu este afectată de niciun zgomot de fază temporală care variază mai lent decât viteza detectorului (aproximativ 10 ns în experiment) și poate fi măsurată prin acumularea de date pe o perioadă de timp arbitrar lungă – ceea ce este un joc. -schimbător – cu cât măsurarea este mai lungă Înseamnă mai mulți fotoni, ceea ce se traduce în mai mare Precizie„, explică Jerzy Ssoniewicz, primul autor al lucrării.

Mai simplu spus, dacă ar fi să înregistrăm un singur cadru de film, acel singur cadru nu ne-ar oferi informații utile despre forma obiectului studiat. „Așadar, am înregistrat mai întâi o serie completă a acestor cadre cu camera și apoi am înmulțit valorile de măsurare la fiecare pereche de puncte din fiecare cadru. Am făcut media acestor corelații și am înregistrat o imagine completă a corpului nostru”, explică Jerzy Szuniewicz. .

„Există multe modalități posibile de a recupera profilul de fază al unui obiect observat dintr-o serie de imagini.” Cu toate acestea, am demonstrat că metoda noastră bazată pe corelarea intensitate-intensitate și așa-numita tehnică holografică în afara axei oferă o precizie optimă de reconstrucție ”, spune Stanislaw Kurdzialek., al doilea autor al acestei lucrări.

O idee strălucitoare pentru mediile întunecate

Abordarea imagistică de fază bazată pe corelația intensității poate fi utilizată pe scară largă în medii foarte zgomotoase. Noua metodă funcționează atât cu lumină clasică (laser și termică) cât și cu lumină cuantică. Poate fi implementat și în Foton Sistem de numărare, de exemplu folosind diode de avalanșă cu un singur foton. „O putem folosi în cazurile în care există puțină lumină disponibilă sau când nu putem folosi o intensitate mare a luminii pentru a nu deteriora obiectul, de exemplu, un specimen biologic delicat sau o operă de artă”, explică Jerzy Zuniewicz.

„Tehnologia noastră va extinde orizonturile măsurătorilor de fază, inclusiv aplicații emergente, cum ar fi imagistica în infraroșu și cu raze X, interferometria cuantică și a undelor de materie”, conchide Dr. Lapkiewicz.

Referință: „Imagistica de fază rezistentă la zgomot cu corelație de intensitate” de Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Šoliński, Radosław Čapkiewicz, Majukh Lahiri și Radek Lapkiewicz, 22 septembrie 2023, Avansarea științei.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Această lucrare a fost susținută de Fundația Poloneză pentru Știință în cadrul proiectului I-Team „Măsurări spațiotemporale de corelare a fotonilor pentru microscopie de cuantizare și super-rezoluție”, cofinanțat de Uniunea Europeană în cadrul Fondului European de Dezvoltare Regională (POIR.04.04.00). -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz recunoaște, de asemenea, sprijinul din partea Centrului Național de Știință, Polonia, Grant nr. 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek recunoaște sprijinul acordat de Centrul Național de Știință Grant (Polonia) nr. 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. Recunoaște sprijinul din partea Oficiului de Cercetare Navală din Statele Unite sub Numărul de atribuire N00014-23-1-2778.