Лазер и флуоресцентный пигмент помогли физикам создать аналог рентгена
7 ноября 2012 года
Европейские физики научились использовать свет, исходящий от молекул флуоресцентных веществ внутри тела, для получения снимков внутренних органов при помощи компьютерного алгоритма, позволяющего "удалить" рассеянный свет с изображения, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
Флуоресцентные красители широко используются в биологических опытах для наблюдения за активностью отдельных клеток и органов. Для этого ученые разработали несколько методик, которые позволяют считывать световые сигналы, поступающие от светящихся молекул в толще живых тканей. Считается, что подобные источники света могут использоваться и для получения снимков "живых" органов. Этому мешает рассеянный свет, представляющий собой поток фотонов, столкнувшихся с атомами и молекулами на пути к объективу фотокамеры.
Группа физиков под руководством Якопо Бертолотти (Jacopo Bertolotti) из университета Твенте (Нидерланды) смогла решить эту проблему, изучив то, что происходит с фотонами света при путешествии от молекул флуоресцентного вещества к матрице цифровой камеры.
Как объясняют ученые, большая часть таких фотонов сталкивается с атомами в клетках тела или с молекулами воздуха. В результате этого они меняют направление движения и попадают в камеру несколько позже, чем так называемые "баллистические" фотоны - частицы света, не встретившие препятствий на своем пути. Как правило, число таких фотонов всегда бывает крайне небольшим, что мешает "увидеть" внутренние органы на фоне рассеянного света.
Бертолотти и его коллеги решили эту проблему при помощи лазерного излучателя и специальной компьютерной программы, анализирующей и обрабатывающей снимки.
Во время работы устройства лазер облучает тело человека или образец ткани, периодически меняя угол падения лучей. Часть фотонов из этих лучей проникает сквозь ткани организма и взаимодействует с флуоресцентными молекулами, вынуждая их светиться. В результате этого на матрице фотокамеры появляется характерная пятнистая картинка из светлых и темных пятен.
Компьютерная программа сравнивает такие изображения, полученные с разных углов зрения, для определения рассеивающих свойств тех участков тела или ткани, которые находятся между сенсором камеры и молекулами светящегося вещества. Когда программа получает достаточное количество информации, она использует ее для "удаления" рассеянного света с изображений и получения снимка органа или ткани, спрятанной за другими тканями.
Ученые проверили работу своего изобретения, попытавшись получить изображение греческой буквы "пи" размером с человеческую клетку, скрытой за экраном из непрозрачного пластика толщиной в несколько микрометров. По словам физиков, их детище успешно справилось с поставленной задачей, получив четкое изображение символа.
Бертолотти и его коллеги усложнили задачу - они сделали тонкий срез стебля ландыша, наполнили его флуоресцентными молекулами и закрыли двумя непрозрачными экранами. Как отмечают ученые, их программа смогла получить снимок стебля, проанализировав 200 изображений, полученных при помощи лазера.
Авторы статьи полагают, что данная методика восстановления изображения может быть приспособлена и для других целей, в том числе для получения трехмерных изображений клеток.