دانشمندان سالها است تلاش میکنند دنیای بسیار کوچک درون بدن، مانند ساختار سلولها، اندامکهای داخلی و فعالیتهای زیستی را با وضوح بیشتر مشاهده کنند. مشکل اصلی این است که میکروسکوپهای نوری معمولی، به دلیل محدودیتهای فیزیکی نور، نمیتوانند اجسام بسیار ریز را بهصورت شفاف نمایش دهند. به همین دلیل، فناوریهایی با عنوان «وضوح فراتر از حد» یا Super-Resolution توسعه یافتهاند.
یکی از مهمترین این فناوریها، روشی به نام «میکروسکوپی روشنسازی ساختاریافته» یا SIM است. در این روش، نور بهصورت الگوهای منظم روی نمونه تابانده میشود و سپس رایانه با تحلیل تصاویر، جزئیاتی فراتر از توان عادی میکروسکوپ را بازسازی میکند. مزیت این فناوری آن است که نسبت به روشهای دیگر، آسیب کمتری به سلولهای زنده وارد میکند و برای تصویربرداری طولانیمدت مناسبتر است.
با این حال، نسخههای پیشرفته SIM تاکنون یک مشکل بزرگ داشتهاند: ساخت آنها دشوار، گران و پیچیده بوده است. بسیاری از این سامانهها به لیزرهای دقیق، تنظیمات بسیار حساس و تجهیزات بزرگ نیاز دارند. همین موضوع باعث شده استفاده از آنها تنها در مراکز تحقیقاتی پیشرفته امکانپذیر باشد.
اکنون گروهی از پژوهشگران آزمایشگاه تصویربرداری محاسباتی هوشمند در دانشگاه علوم و فناوری نانجینگ، راهحلی تازه ارائه کردهاند. آنها سامانهای جدید با نام PCA-iSIM ساختهاند که همان کیفیت تصویربرداری بالا را با ساختاری سادهتر و کمهزینهتر فراهم میکند.
این سامانه از قطعهای به نام «دستگاه میکرومرآت دیجیتال» یا DMD استفاده میکند. این قطعه، مجموعهای از آینههای بسیار کوچک است که میتوانند نور را با سرعت زیاد کنترل و هدایت کنند. چنین فناوریای باعث میشود دستگاه کوچکتر و سادهتر از سامانههای مبتنی بر لیزر باشد.
اما چالش اصلی این بود که هنگام استفاده از الگوهای نوری بسیار ریز، کنتراست تصویر کاهش مییافت و تشخیص اطلاعات دقیق دشوار میشد. پژوهشگران برای حل این مشکل از هوش محاسباتی و روشی آماری به نام «تحلیل مؤلفههای اصلی» یا PCA استفاده کردند.
این فناوری میتواند از میان دادههای ضعیف و پرنویز، اطلاعات مهم را جدا کند و تصویری واضحتر بسازد. همچنین سامانه جدید قادر است حتی زمانی که کیفیت اولیه دادهها پایین است، موقعیت دقیق الگوهای نوری را تشخیص دهد و تصویر نهایی را بازسازی کند.
نتایج آزمایشها نشان داده است که این میکروسکوپ جدید میتواند وضوح تصویر را بیش از ۱.۹ برابر بهتر کند و به جزئیاتی در اندازه حدود ۱۰۰ نانومتر برسد. برای درک این عدد کافی است بدانیم قطر یک تار موی انسان حدود ۷۰ هزار نانومتر است. یعنی این دستگاه قادر است ساختارهایی صدها بار کوچکتر از ضخامت مو را مشاهده کند.
سرعت عملکرد این سامانه نیز قابل توجه است. پژوهشگران اعلام کردهاند دستگاه میتواند تا ۳۰ تصویر در ثانیه ثبت کند؛ سرعتی که برای مشاهده فرایندهای زنده درون سلولها بسیار مهم است. به کمک این قابلیت، آنها توانستند فعالیت میتوکندریها، یعنی نیروگاههای تولید انرژی سلول، را در سلول زنده بهصورت زنده ثبت کنند.
مزیت دیگر این فناوری، کاهش شدید پیچیدگی دستگاه است. طبق گزارش تیم سازنده، طراحی جدید در مقایسه با سامانههای سنتی مبتنی بر لیزر، حدود ۷۰ درصد سادهتر است. این موضوع میتواند هزینه تولید و نگهداری را کاهش دهد و دسترسی دانشگاهها، بیمارستانها و آزمایشگاههای کوچکتر را به فناوری پیشرفته تصویربرداری آسانتر کند.
کارشناسان معتقدند اگر این فناوری به مرحله تجاریسازی برسد، میتواند در حوزههایی مانند تشخیص بیماریها، مطالعه سرطان، بررسی عملکرد داروها و پژوهشهای زیستشناسی سلولی نقش مهمی ایفا کند.
پژوهشگران میگویند هدف اصلی آنها این بوده است که تصویربرداری فوقدقیق را از انحصار تجهیزات بزرگ و گران خارج کنند. اگر این وعده عملی شود، آینده پزشکی و علوم زیستی میتواند شفافتر از همیشه دیده شود.
