همشهری آنلاین - یکتا فراهانی: پیشرفتی انقلابی در دنیای تصویربرداری علمی و پزشکی در راه است: سیستمی که با بهره‌گیری از دسته‌ای فیبر نوری آزاد، بدون نیاز به ساختارهای حجیم، قادر است تصاویری دقیق از فضاهای دست‌نیافتنی بگیرد.
گروهی از پژوهشگران آزمایشگاه رسانه‌ای MIT موفق به توسعه فناوری تازه‌ای شده‌اند که می‌تواند مسیر تصویربرداری در پزشکی، مهندسی و حتی زمین‌شناسی را دگرگون کند. این فناوری جدید که در آن از فیبرهای نوری بدون لنز یا بدنه محافظ استفاده شده، امکان مشاهده فضاهای بسته، مرطوب، تنگ یا ناممکن را بادقت بالا فراهم می‌سازد.
این نوآوری نه‌تنها حجم ابزارها را کاهش می‌دهد؛ بلکه راه‌حلی برای چالش‌های قدیمی در حوزه‌های پیچیده‌ای؛ مانند آندوسکوپی، شناسایی منابع نفت و حتی بررسی آکواریف‌ها فراهم می‌کند. اما راز این سیستم در چیست و چگونه کار می‌کند؟
فناوری تصویربرداری بدون لنز چگونه کار می‌کند؟
سیستم جدید تصویربرداری توسعه‌یافته در آزمایشگاه رسانه‌ای MIT از یک دستة باز فیبرهای نوری استفاده می‌کند. در این سیستم، نیازی به لنز یا بدنه محافظ نیست. انتهای یکی از سویه‌های فیبرها به یک آرایه حسگر نوری متصل است، درحالی‌که سوی دیگر آن‌ها آزادانه حرکت می‌کند و می‌تواند از درون شکاف‌هایی به‌اندازه میکرومتر عبور کرده و تصاویر آن‌سوی مانع را ثبت کند.
این ویژگی موجب می‌شود دسته‌های فیبر نوری را بتوان درون لوله‌ها قرارداد یا در مایعات غوطه‌ور ساخت، بدون آنکه نیازی به محفظه ضدآب باشد. این مزیت در زمینه‌هایی چون بررسی منابع نفت، آکواریف‌ها یا حتی لوله‌کشی‌های پیچیده، کاربردی بسیار حیاتی دارد.
بیشتر بخوانید :
از فیبر نوری تا نقشه‌برداری فضایی با تکنیک زمان پرواز
یکی از نکات خارق‌العاده این فناوری در آن است که لازم نیست موقعیت دقیق انتهای آزاد فیبرها با موقعیت حسگرهای نوری هماهنگ باشد. به کمک تکنیکی به نام «زمان پروازـ» (Time of Flight)، با اندازه‌گیری تفاوت زمان رسیدن پالس‌های نوری به حسگرها، مکان نسبی نوک فیبرها مشخص می‌شود.
در نسخه آزمایشگاهی، این پالس‌های کالیبراسیون از طریق لیزرهای خارجی ارسال می‌شد، اما در نمونه‌های تجاری، خود فیبرها این پالس‌ها را منتقل می‌کنند. به گفته دکتر بارماک هشمت، محقق اصلی پروژه، این نخستین‌بار است که از زمان پرواز نه برای سنجش عمق، بلکه برای بازسازی موقعیت فیبرها جهت تصویرسازی استفاده شده است.
آزمایش با بیش از هزار فیبر نوری
در آزمایش‌های اولیه، پژوهشگران از دسته‌ای شامل ۱۱۰۰ فیبر نوری استفاده کردند. یک سوی این دسته آزاد بود و در مقابل پرده‌ای با نمادهای تصویری قرار داشت. سوی دیگر به یک تقسیم‌کننده نور متصل بود که اطلاعات را هم به یک دوربین معمولی و هم به یک دوربین پرسرعت منتقل می‌کرد.
دو لیزر فوق‌سریع از جهت‌های عمود بر هم پالس‌های نوری را به‌سوی نوک فیبرها ارسال کردند و دوربین پرسرعت زمان رسیدن نور به هر فیبر را ثبت کرد. با مقایسه تفاوت‌های زمانی، الگوریتم نرم‌افزاری موقعیت دوبعدی نوک فیبرها را تعیین و تصویر درهم شده‌ای را که دوربین معمولی ثبت کرده بود، بازسازی کرد.
محدودیت فعلی؛ افق‌های آینده
دقت نهایی این سیستم به تعداد فیبرها بستگی دارد. نمونه اولیه ۱۱۰۰ فیبری تصویری باکیفیت حدود ۳۳ در ۳۳ پیکسل تولید کرد. بااین‌حال، فیبرهای استفاده‌شده در این نمونه، از نوع موجود در بازار با قطر ۳۰۰ میکرومتر بودند. درحالی‌که امروزه فیبرهایی با چند میکرومتر قطر نیز در بازار وجود دارند که می‌توانند دقت را چندین برابر کنند بدون اینکه اندازه بسته افزایش یابد.
در کاربردهای واقعی، لیزرهای خارجی جای خود را به پالس‌های درونی خواهند داد و به‌جای دو پالس، از تعداد زیادی پالس استفاده خواهد شد تا تصویری دقیق‌تر ساخته شود. خوشبختانه، این پالس‌ها آن‌قدر کوتاه هستند که کل فرآیند کالیبراسیون فقط کسری از ثانیه زمان خواهد برد.
چشم‌انداز استفاده‌های پزشکی و صنعتی
در کاربردهای پزشکی که نیاز به فیبرهای نازک‌تری وجود دارد، کیفیت تصویر را می‌توان از طریق روش‌های تداخلی (interferometric methods) بهبود بخشید. در این روش‌ها، پرتو نوری به دو بخش تقسیم می‌شود: یکی در محل نگه داشته می‌شود (پرتو مرجع) و دیگری به صحنه برخورد کرده و بازمی‌گردد. از ترکیب این دو پرتو و نحوه تداخل آن‌ها، می‌توان اطلاعات دقیق‌تری درباره مسیر نور به دست آورد.
اگرچه این روش هنوز در آزمایش‌های عملی به کار نرفته، اما تحلیل نظری تیم پژوهشی نشان می‌دهد که این روش می‌تواند به‌دقت بازسازی‌های تصویری کمک شایانی کند.
نظر متخصصان؛ تایید و چالش‌ها
دکتر مونا جراحی، استاد مهندسی برق دانشگاه UCLA، با تحسین این فناوری می‌گوید: ترکیب روش‌های زمان پرواز با تصویربرداری محاسباتی بسیار نوآورانه و هوشمندانه است؛ به‌ویژه که محدودیت‌های محیطی و فضایی در بسیاری از کاربردهای تصویربرداری وجود دارد.
او همچنین هشدار می‌دهد استفاده از نور لیزر درون فیبرها در عمل دشوارتر از چیزی است که در این آزمایش نشان‌داده‌شده، اما اطلاعات فیزیکی لازم در آن وجود دارد و با چیدمان مناسب، دستیابی به آن ممکن است.
از سوی دیگر، دکتر کیسوکه گودا، استاد شیمی دانشگاه توکیو نیز می‌گوید: مزیت اصلی این فناوری در انعطاف‌پذیری بالای نوک فیبرهاست. من معتقدم این ابزار می‌تواند در آندوسکوپی روده کوچک که ساختاری پیچیده دارد، بسیار مفید باشد.
تصویری تازه از دنیای نامرئی
آنچه گروه تحقیقاتی MIT توسعه داده‌اند، نه فقط یک ابزار تصویربرداری، بلکه دریچه‌ای نو به دنیای ناشناخته‌هاست؛ از رگ‌های بدن انسان گرفته تا اعماق مرطوب زمین. این سیستم با حذف لنزها، بدنه‌ها و پیچیدگی‌های فیزیکی، راه را برای تصویربرداری از مکان‌های ناشناخته، تنگ و حساس باز می‌کند. شاید در آینده‌ای نه‌چندان دور، این «قلم‌موی نوری» جای خود را در دستان پزشکان، مهندسان و کاوشگران جهان باز کند و تصویری تازه از جهان پنهان پیش روی‌مان ترسیم کند.
