Revoluční metoda, která odhaluje obrazy skryté v šumu

Tato inovativní zobrazovací technologie inspirovaná kvantem vyniká v podmínkách slabého osvětlení a nabízí nové hranice v lékařském zobrazování a uchovávání umění.

Vědci z University of Warsaw School of Physics s kolegy ze Stanford University a Oklahoma State University představují metodu fázového zobrazování inspirovanou kvantem, založenou na měření korelace intenzity silného světla s fázovým šumem. Nová zobrazovací metoda může pracovat i při velmi slabém osvětlení a mohla by být užitečná ve vznikajících aplikacích, jako je infračervená a rentgenová interferometrie, kvantová a hmotově-vlnová interferometrie.

Revoluce ve fotografických technikách

Bez ohledu na to, zda fotíte kočky pomocí smartphonu nebo fotíte buněčné kultury pomocí pokročilého mikroskopu, děláte to měřením intenzity (jasu) světla v pixelech. Světlo je charakteristické nejen svou intenzitou, ale také fází. Zajímavé je, že průhledné objekty se mohou stát viditelnými, pokud jste schopni změřit fázové zpoždění světla, které přinášejí.

Mikroskopie s fázovým kontrastem, za kterou Fritz Zernecke získal v roce 1953 Nobelovu cenu, způsobila revoluci v biomedicínském zobrazování díky možnosti získat obrazy různých průhledných a opticky tenkých vzorků s vysokým rozlišením. Oblast výzkumu, která vzešla ze Zernikeho objevu, zahrnuje moderní zobrazovací techniky, jako je digitální holografie a kvantitativní fázové zobrazování.

„Umožňuje kvantitativní charakterizaci živých vzorků bez označení, jako jsou buněčné kultury, a mohl by najít uplatnění v neurobiologii nebo výzkumu rakoviny,“ vysvětluje Dr. Radek Lapkiewicz, vedoucí Laboratoře kvantitativního zobrazování na Fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. Varšava.

Výzvy a inovace ve fázi fotografování

Stále je však co zlepšovat. „Například interferometrie, což je standardní metoda měření pro přesné měření tloušťky v libovolném bodě zkoumaného objektu, funguje pouze tehdy, když je systém stabilní, není vystaven žádným otřesům nebo poruchám,“ vysvětluje Jerzy Szoniewicz, doktorand na univerzitě. Fyzikální fakulta Varšavské univerzity Provést takový test například v jedoucím autě nebo na vibračním stole je velmi obtížné.

Výzkumníci z Fyzikální fakulty Varšavské univerzity spolu s kolegy ze Stanfordské univerzity a Oklahomské státní univerzity se rozhodli tento problém řešit a vyvinout novou metodu fázového zobrazování, která je imunní vůči fázovým nestabilitám. Výsledky jejich výzkumu byly publikovány v prestižním časopise Pokrok vědy.

Zpátky do staré školy

Jak vědci přišli na myšlenku nové technologie? Leonard Mandel a jeho skupina v 60. letech minulého století prokázali, že i když interference není detekovatelná v intenzitě, korelace mohou odhalit její přítomnost.

„Inspirováni klasickými Mandelovými experimenty jsme chtěli studovat, jak lze měření korelace intenzity použít ve fázovém zobrazování,“ vysvětluje Dr. Lapkiewicz. Při korelačním měření se díváme na páry pixelů a sledujeme, zda se zároveň zesvětlí nebo ztmaví.

„Ukázali jsme, že taková měření obsahují další informace, které nelze získat pomocí jediného snímku, tedy denzitometrie. Pomocí této skutečnosti jsme prokázali, že ve fázové mikroskopii založené na interferenci jsou pozorování možná i tehdy, když standardní interferometrické obrazce ztratí veškeré informace o fázi.“ a ne Existuje registrovaná hranice závažnosti.

„Při standardním přístupu by se dalo předpokládat, že v takovém obrázku nejsou žádné užitečné informace. Ukazuje se však, že informace jsou skryty v korelacích a lze je obnovit analýzou více nezávislých obrázků objektu, což nám umožňuje získat ideální interferogramy, zapnuté I když normální rušení je kvůli šumu nedetekovatelné,“ dodává Labkiewicz.

„V našem experimentu je světlo procházející fázovým objektem (náš cíl, který chceme zkoumat) vybaveno referenčním světlem. Mezi paprsky objektu a referenčního světla je zavedeno náhodné fázové zpoždění – toto fázové zpoždění napodobuje rušení, které brání standardním metodám fázového zobrazování.

„Při měření intenzity tedy není pozorována žádná interference, to znamená, že z měření intenzity nelze získat informace o fázovém objektu. Prostorově závislá korelace intenzity a hustoty však zobrazuje okrajový vzor, ​​který obsahuje úplné informace o fázovém objektu.

„Tato korelace mezi intenzitou a intenzitou není ovlivněna žádným šumem v časové fázi, který se mění pomaleji než rychlost detektoru (asi 10 ns v experimentu) a lze ji měřit shromažďováním dat za libovolně dlouhé časové období – což je hra. -changer – delší měření Znamená to více fotonů, což znamená vyšší Přesnost“, vysvětluje Jerzy Ssoniewicz, první autor díla.

Jednoduše řečeno, pokud bychom měli zaznamenat jedno políčko filmu, toto jediné políčko by nám neposkytlo žádnou užitečnou informaci o tvaru studovaného objektu. „Nejprve jsme pomocí fotoaparátu zaznamenali kompletní sérii těchto snímků a poté jsme znásobili naměřené hodnoty v každé dvojici bodů z každého snímku. Tyto korelace jsme zprůměrovali a zaznamenali kompletní snímek našeho těla,“ vysvětluje Jerzy Szuniewicz. .

„Existuje mnoho možných způsobů, jak obnovit fázový profil pozorovaného objektu ze série snímků.“ Prokázali jsme však, že naše metoda založená na korelaci intenzity a intenzity a takzvané off-axis holografické technice poskytuje optimální přesnost rekonstrukce. “ říká Stanislaw Kurdzialek. , druhý autor tohoto článku.

Skvělý nápad pro tmavé prostředí

Fázový přístup založený na korelaci intenzity může být široce používán ve velmi hlučném prostředí. Nová metoda pracuje jak s klasickým (laserovým a termálním), tak s kvantovým světlem. Může být také implementován v Foton Systém počítání, například pomocí jednofotonových lavinových diod. „Můžeme ho použít v případech, kdy je k dispozici málo světla nebo když nemůžeme použít vysokou intenzitu světla, abychom nepoškodili objekt, například choulostivý biologický vzorek nebo umělecké dílo,“ vysvětluje Jerzy Zuniewicz.

„Naše technologie rozšíří obzory ve fázových měřeních, včetně nově vznikajících aplikací, jako je infračervené a rentgenové zobrazování, kvantová a hmotová vlnová interferometrie,“ uzavírá Dr. Lapkiewicz.

Reference: “Noise-rezistentní fázové zobrazování s korelací intenzity” od Jerzyho Szoniewicze, Stanisława Kurdzialka, Sanjukta Konda, Wojciecha Šolińského, Radosława Čapkiewicze, Majukha Lahiriho a Radka Lapkiewicze, 22. září 2023, Pokrok vědy.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Tuto práci podpořila Polish Science Foundation v rámci projektu I-Team „Spatiotemporal photon correlation measurements for quantization and super-resolution microscopy“ spolufinancovaného Evropskou unií v rámci Evropského fondu pro regionální rozvoj (POIR.04.04.00 -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz také oceňuje podporu od Národního vědeckého centra, Polsko, grant č. 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek oceňuje podporu z grantu Národního vědeckého centra (Polsko) č. 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. Oceňuje podporu od Úřadu pro námořní výzkum Spojených států pod číslem udělení N00014-23-1-2778.