Con yogurt e bicchiere tritato, I ricercatori dell'Università del Michigan hanno compiuto un passo verso l'utilizzo della luce visibile per l'immagine all'interno del corpo. Il loro metodo per focalizzare la luce attraverso questi materiali è molto più rapido e semplice rispetto all'approccio dominante di oggi.

Strutture dense come l'osso si mostrano chiaramente ai raggi X, ma i tessuti più molli come organi e tumori sono difficili da distinguere. Questo perché i raggi X sono fortemente deviati dalle ossa, mentre tagliano direttamente i tessuti molli.

Luce visibile, d'altra parte, viene deviato dai tessuti molli. Fino a poco tempo fa, questo ha reso il vedere attraverso la pelle con la luce visibile un non-starter, mentre la luce può passare, è sparso in ogni modo. Allo stesso tempo, la luce visibile sarebbe più sicura per l'imaging diagnostico rispetto ai raggi X ad alta energia.

"La luce entra, colpisce una molecola, colpisce un altro, colpisce un altro, fa qualcosa di veramente folle, ed esce da questa parte, " disse Moussa N'Gom, assistente ricercatore in ingegneria elettrica e informatica e primo autore di uno studio in Rapporti scientifici questo spiega la sfida di prevedere i percorsi dei singoli raggi di luce.

Comprendendo esattamente come una macchia di pelle disperde la luce, i ricercatori sperano di modellare attentamente i raggi di luce in modo che si concentrino all'interno del corpo, un primo passo per vedere dentro di esso.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno scritto "MICHIGAN" con un raggio di luce che brillava attraverso lo yogurt e il vetro frantumato. Hanno scelto quei materiali perché diffondono fortemente la luce e fungono da buoni modelli per la pelle. La loro dimostrazione, ricorda di scrivere un nome con una torcia, dimostra che possono prendere un singolo, scansione rapida del materiale e messa a fuoco su di esso in molti punti, come avrebbero bisogno di fare se si esaminassero i tessuti all'interno del corpo.

Un miglioramento rispetto all'approccio di oggi

Il campo dell'imaging di oggetti attraverso i materiali, da strati di vernice a gusci d'uovo e persino teschi di topo, ha fatto passi da gigante nell'ultimo decennio. Il tipico metodo "olografico" districa il modello di dispersione osservando come le onde luminose interferiscono tra loro:questo fornisce informazioni su come i diversi raggi sono stati ritardati nel loro percorso attraverso il materiale.

Questo metodo è molto preciso, disse N'Gom, ma è lento. Per accelerare le cose, i ricercatori in genere riescono a capire quel tanto che basta del modello di dispersione per concentrarsi su un punto particolare. Per mettere a fuoco un punto diverso, il materiale deve essere scansionato di nuovo. Ciò rallenterebbe il processo di misurazione delle dimensioni o della consistenza di un tumore, Per esempio.

"Il nostro metodo è significativamente più veloce e conveniente perché utilizziamo un unico set di misurazioni per generare tutti questi punti, e non dobbiamo ripetere la scansione, " Disse N'Gom.

Come è tipico per gli esperimenti di focalizzazione attraverso i materiali, i ricercatori hanno utilizzato un modulatore di luce spaziale per produrre modelli di luce. Se hai puntato un laser attraverso un vetro smerigliato, entrerebbe in un punto da una parte, ad un angolo particolare, e poi lasciare l'altro lato per molti punti, in direzioni diverse. Combinando uno schermo con una serie di specchi, un modulatore di luce spaziale può fare il contrario, inviando luce su una superficie in molti punti, a molti angoli, in modo che questi raggi convergano in un punto dall'altra parte del materiale.

Hanno impostato il modulatore di luce spaziale per brillare in centinaia di modelli diversi (461 in tutto). Ma piuttosto che analizzare i percorsi dei singoli raggi luminosi che emergono dall'altra parte, Il team di N'Gom ha misurato la luminosità, quanta luce ne è uscita.

Hanno sviluppato un algoritmo per analizzare i modelli di luce in entrata e le misurazioni della luminosità in uscita, utilizzando le informazioni per costruire una rappresentazione matematica del modello di dispersione del materiale, chiamata matrice di trasmissione.

"Tecniche precedenti, Invece, utilizzato complesse configurazioni cosiddette olografiche per estrarre le informazioni necessarie, " disse Raj Rao Nadakuditi, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e autore senior dello studio. "Siamo stati in grado di ottenere lo stesso risultato attraverso semplici misurazioni della luminosità e, di conseguenza, operare molto più velocemente".

Utilizzando la matrice di trasmissione, Il team di N'Gom è riuscito a capire esattamente come impostare il modulatore di luce spaziale per ottenere un punto luminoso in qualsiasi punto sull'altro lato del vetro smerigliato o dello yogurt.

Nello yogurt, c'era un limite di tempo per la durata della mappa:solo pochi minuti. Era abbastanza tempo per N'Gom ei suoi colleghi di scrivere "MICHIGAN" in 157 colpi.

Prime immagini possibili entro cinque anni

nella pelle, i limiti di tempo sono molto più stretti:avrebbero bisogno di una nuova mappa ogni millisecondo. Comunque, con elettronica di ultima generazione, N'Gom pensa che il loro algoritmo potrebbe funzionare così velocemente.

Un'altra sfida nel vedere attraverso la pelle è che non sarebbero in grado di posizionare un rilevatore sotto di essa per misurare la luminosità della luce. Per questo, N'Gom ha detto che i ricercatori stanno usando gli ultrasuoni per rilevare il riscaldamento nel tessuto bersaglio, una misura di quanta luce sta attraversando.

Finalmente, con la luce concentrata dentro, un dispositivo di imaging dovrebbe comunque focalizzare la luce che esce dalla pelle. Per questo, potevano essenzialmente ripercorrere lo schema della luce attraverso la matrice di trasmissione per dedurre da dove proveniva il riflesso.

Considerando i recenti progressi e gli studi in corso sulla focalizzazione della luce attraverso materiali traslucidi, N'Gom prevede che potremmo vedere le prime immagini di luce visibile scattate attraverso la pelle entro i prossimi cinque anni.