Wyniki swojego badania opublikowali w czasopiśmie „Scientific Reports”. Pierwszą autorką artykułu jest doktorantka Klaudia Nowacka-Pieszak.

„Rozpraszanie jest zwykle postrzegane jako wróg obrazowania o wysokiej rozdzielczości. Pokazujemy, że gdy jest starannie kontrolowane i ma charakter dynamiczny, może w rzeczywistości stać się użytecznym narzędziem: zmieniając sposób, w jaki światło dociera do próbki z jednego pomiaru na kolejny, możemy tłumić szum plamkowy i ograniczać zniekształcenia obrazu. Otwiera to nową drogę do zwiększenia odporności obrazowania optycznego bez polegania na coraz bardziej złożonym sprzęcie optycznym” - wyjaśniła badaczka w przesłanym PAP komunikacie.  

Światło przechodzące przez tkankę napotyka m.in. błony komórkowe, włókna i naczynia krwionośne, przez co zmienia się jego kierunek, a co za tym idzie słabnie ostrość, pojawiają się deformacje i ziarnista faktura.  

Ta faktura określana jest jako szum plamkowy. Widać ją jako przypadkowy układ jasnych i ciemnych punktów, który przesłania drobne szczegóły. Powstaje, gdy rozproszone fale świetlne nakładają się na siebie, miejscami wzmacniając się, a miejscami wygaszając.

Zespół ICTER postanowił sprawdzić, czy celowe i kontrolowane wprowadzanie zmian w rozpraszaniu światła może pomóc ograniczyć te zakłócenia i zmniejszyć wrażliwość obrazu na wybrane zniekształcenia optyczne. Zamiast więc zapobiegać temu zjawisku, badacze wykorzystali je podczas rejestrowania wielu obrazów tego samego, nieruchomego obiektu. Za każdym razem światło docierało do niego nieco inaczej, dlatego każda klatka zawierała inny układ plamek i zniekształceń.

Następnie badacze uśrednili te pomiary, by uzyskać czytelniejszy obraz. Dzięki temu zakłócenia, które z powodu zmian w rozpraszaniu światła nieco różniły się między klatkami, stawały się mniej widoczne. Szczegóły obiektu pozostawały natomiast czytelne, ponieważ powtarzały się w kolejnych obrazach.

Działanie metody sprawdzono w modelu matematycznym, symulacjach komputerowych oraz eksperymentach z wykorzystaniem optycznej tomografii koherentnej (OCT). To technika, która pozwala za pomocą światła zobaczyć wewnętrzne warstwy tkanek i jest szeroko stosowana m.in. w badaniach siatkówki oka.

W doświadczeniach z OCT autorzy do rozpraszania światła wykorzystali zwykłe mleko. Jego mikroskopijne składniki są w ciągłym ruchu, co zmienia sposób, w jaki światło dociera do badanego obiektu. Dlatego każdy pomiar zawiera nieco inny wzór szumu plamkowego.

Badanym obiektem była specjalna tablica z zestawami coraz drobniejszych linii, pozwalająca sprawdzić, jak małe szczegóły można rozróżnić na obrazie.

Najpierw przykryto ją przezroczystą taśmą klejącą, a w kolejnym doświadczeniu - fragmentem tkanki mózgowej myszy o grubości 0,25 mm. Oba materiały zniekształcały przechodzące światło i utrudniały zobaczenie linii. Eksperymenty wykonano bez użycia mleka, a następnie z nim. Po jego zastosowaniu i uśrednieniu 100 obrazów linie pod taśmą i tkanką stały się wyraźniejsze.

Autorzy porównali też dwa sposoby łączenia danych. Prostszy wykorzystywał przede wszystkim jasność sygnału. Drugi uwzględniał dodatkowo fazę fali świetlnej, czyli informację o przebiegu jej drgań. Pozwalał uzyskać ciemniejsze tło i lepiej odróżnić od niego elementy wzorca, ale wymagał dokładniejszego dopasowania pomiarów i bardziej zaawansowanego przetwarzania.

Poprawa czytelności miała jednak swoją cenę - wprowadzała dodatkowe rozmycie. Opracowany model pozwalał jednak przewidzieć ten efekt i dobrać parametry tak, aby osiągnąć kompromis między czytelnością szczegółów a ostrością.

Zdaniem naukowców doświadczenia te potwierdziły, że ich metoda działa nie tylko w symulacjach, ale także przy zakłóceniach powodowanych przez materiał biologiczny. „W obrazowaniu biologicznym jest to szczególnie interesujące, ponieważ rzeczywista tkanka nigdy nie jest idealnym układem optycznym. Jeśli uda nam się zmniejszyć wrażliwość obrazowania na zniekształcenia wprowadzane przez samą tkankę, być może będziemy mogli zobaczyć struktury, które w przeciwnym razie byłyby znacznie trudniejsze do rozróżnienia” - powiedziała Nowacka-Pieszak.

Jak podkreślili autorzy, na razie jest to laboratoryjny dowód koncepcji. Ich badanie obejmowało obiekty nieruchome i tkankę poza organizmem. Kolejne obrazy rejestrowano też w 60-sekundowych odstępach, dlatego przed zastosowaniem metody do badania żywego oka czy innych poruszających się tkanek trzeba znacznie przyspieszyć pomiary.

W ich opinii potencjał metody jest jednak duży. W przyszłości mogłaby pomóc w budowie bardziej odpornych na zakłócenia systemów OCT, co ma szczególne znaczenie w okulistyce, gdzie na jakość obrazu wpływają właściwości rogówki, soczewki i ciała szklistego. Mechanizm mógłby też znaleźć zastosowanie w mikroskopii biologicznej, holografii cyfrowej i innych technikach wykorzystujących spójne światło.

„W dłuższej perspektywie mamy nadzieję, że to podejście będzie inspiracją dla nowych konstrukcji optycznych, w których rozpraszanie nie jest po prostu czymś, co należy usunąć, lecz czymś, co można celowo kontrolować i wykorzystywać do zwiększania odporności obrazowania” - zaznaczyła Klaudia Nowacka-Pieszak.

Katarzyna Czechowicz (PAP)

kap/ agt/