قياس التداخل منخفض التماسك ذو الدقة الزاوية

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ قياس التداخل منخفض التماسك ذو الزاوية المحددة ( a/LCI ) تقنية تصوير حيوي ناشئة تستخدم خصائص الضوء المتناثر لقياس متوسط ​​حجم تراكيب الخلايا، بما في ذلك أنوية الخلايا . وتُبشّر هذه التقنية بإمكانية استخدامها كأداة سريرية للكشف الموضعي عن الأنسجة المختلة التنسج أو ما قبل السرطانية .

مقدمة

تجمع تقنية A/LCI بين قياس التداخل منخفض التماسك والتشتت المُحَلَّل زاويًا لحل المشكلة العكسية المتمثلة في تحديد هندسة المُشتِّت بناءً على أنماط حيود المجال البعيد . على غرار قياس انعكاس المجال البصري المتماسك (OCDR) والتصوير المقطعي البصري المتماسك (OCT)، تستخدم تقنية a/LCI مصدر ضوء واسع النطاق في مخطط قياس التداخل لتحقيق تصوير مقطعي بصري بدقة عمق محددة بطول تماسك المصدر. تلتقط قياسات التشتت المُحَلَّل زاويًا الضوء كدالة لزاوية التشتت، وتعكس الزوايا لاستنتاج متوسط ​​حجم الأجسام المُشتِّتة عبر نموذج حسابي لتشتت الضوء مثل نظرية مي ، التي تتنبأ بالزوايا بناءً على حجم كرة التشتت . يتيح الجمع بين هذه التقنيات بناء نظام قادر على قياس متوسط ​​حجم التشتت على أعماق مختلفة داخل عينة نسيجية .

يُعدّ تحديد حالة صحة الأنسجة بناءً على قياسات متوسط ​​حجم نواة الخلية أهم تطبيق طبي لهذه التقنية حاليًا. وقد وُجد أنه مع تحوّل النسيج من طبيعي إلى سرطاني، يزداد متوسط ​​حجم نواة الخلية. [ 1 ] وقد أظهرت العديد من الدراسات الحديثة [ 2 ] أن تقنية a/LCI، من خلال قياسات نواة الخلية، قادرة على الكشف عن وجود خلل التنسج منخفض وعالي الدرجة بحساسية 91%، والتمييز بين الأنسجة الطبيعية والمصابة بخلل التنسج بدقة 97%.

تاريخ

منذ عام 2000، استُخدمت أنظمة تشتت الضوء في تطبيقات طبية حيوية، مثل دراسة مورفولوجيا الخلايا [ 3 ] وتشخيص خلل التنسج [ 4 ] . وقد استُخدمت الاختلافات في توزيعات التشتت كدالة للزاوية أو الطول الموجي لاستنتاج معلومات حول حجم الخلايا والأجسام دون الخلوية، مثل النوى والعضيات . ويمكن استخدام قياسات الحجم هذه تشخيصيًا للكشف عن تغيرات الأنسجة، بما في ذلك التغيرات الورمية (التي تؤدي إلى السرطان).

استُخدمت تقنية مطيافية تشتت الضوء للكشف عن خلل التنسج في القولون والمثانة وعنق الرحم والمريء لدى المرضى. [ 2 ] كما استُخدمت هذه التقنية للكشف عن مريء باريت ، وهو حالة تحول نسيجي ذات احتمالية عالية للتسبب في خلل التنسج. [ 5 ]

ومع ذلك، وعلى النقيض من تقنية a/LCI، تعتمد جميع هذه التقنيات على قياسات تعتمد على الكثافة الكلية، والتي تفتقر إلى القدرة على تقديم نتائج كدالة للعمق في الأنسجة.

نماذج a/LCI المبكرة

مسار الضوء في مقياس التداخل لمايكلسون.

استخدمت أولى تطبيقات تقنية a/LCI [ 6 ] مقياس تداخل مايكلسون ، وهو نفس النموذج المستخدم في تجربة مايكلسون-مورلي الشهيرة . يقوم مقياس تداخل مايكلسون بتقسيم شعاع ضوئي واحد إلى مسارين، أحدهما مرجعي والآخر لأخذ العينات، ثم يعيد تجميعهما لإنتاج شكل موجي ناتج عن التداخل . وبالتالي، يكشف الفرق بين الشعاع المرجعي وشعاع أخذ العينات عن خصائص العينة من حيث طريقة تشتيتها للضوء.

استخدم جهاز a/LCI المبكر مرآة وعدسة متحركتين في ذراع المرجع، مما مكّن الباحثين من محاكاة زوايا وأعماق مختلفة في شعاع المرجع كما تظهر في الضوء المتناثر المُجمّع. وقد أتاح ذلك عزل الضوء المتناثر عند أعماق انعكاس متفاوتة في العينة. ولتحويل البيانات إلى قياسات لبنية الخلية، تُقارن توزيعات التشتت الزاوي بتوقعات نظرية مي ، التي تحسب حجم الكرات نسبةً إلى أنماط تشتت الضوء فيها.

تم التحقق من صحة تقنية a/LCI لأول مرة في دراسات أجريت على كريات دقيقة من البوليسترين، [ 6 ] والتي كانت أحجامها معروفة ومتجانسة نسبيًا. وفي دراسة لاحقة، تم توسيع نطاق طريقة معالجة الإشارة للتعويض عن الطبيعة غير الكروية وغير المتجانسة لنوى الخلايا. [ 7 ]

كان هذا النظام المبكر يتطلب ما يصل إلى 40 دقيقة للحصول على البيانات لنقطة مساحتها 1  مم² في العينة، ولكنه أثبت جدوى الفكرة.

التنفيذ في مجال فورييه

على غرار تقنية التصوير المقطعي البصري (OCT)، اعتمدت التطبيقات المبكرة لتقنية التصوير المقطعي البصري/التصوير المقطعي بالليزر (a/LCI) على تغيير طول المسار البصري (OPL) فعليًا للتحكم في عمق العينة التي تُجمع منها البيانات. ومع ذلك، فقد ثبت [ 8 ] أنه من الممكن استخدام تطبيق في مجال فورييه للحصول على دقة عمق في عملية جمع بيانات واحدة. يُستخدم مصدر ضوء واسع النطاق لإنتاج طيف من الأطوال الموجية دفعة واحدة، ويُجمع الضوء المتناثر للخلف بواسطة ألياف بصرية متماسكة في مسار العودة لالتقاط زوايا التشتت المختلفة في آن واحد. [ 9 ] ثم تُقاس الشدة باستخدام مطياف : يحتوي إطار واحد من المطياف على شدة التشتت كدالة للطول الموجي والزاوية. أخيرًا، تُحوّل البيانات باستخدام تحويل فورييه سطرًا بسطر لتوليد شدة التشتت كدالة لطول المسار البصري والزاوية. في الصورة الناتجة، يمثل المحور السيني طول المسار البصري، ويمثل المحور الصادي زاوية الانعكاس، مما ينتج عنه خريطة ثنائية الأبعاد لشدة الانعكاس.

باستخدام هذه الطريقة، لا يحد من سرعة الحصول على البيانات سوى زمن تكامل المطياف، ويمكن أن تصل إلى 20 مللي ثانية فقط. ويمكن الحصول على نفس البيانات التي كانت تتطلب في البداية عشرات الدقائق للحصول عليها، بسرعة أكبر بنحو 105 مرات. [ 9 ]

وصف تخطيطي

رسم تخطيطي لنظام a/LCI. يُوفّر الضوء بواسطة مُشتّت ضوئي فائق السطوع ( SLD )، ويُنتج مُقسّم الألياف (FS) ضوء العينة وضوء المرجع، بينما تُوفّر العدسات L2 وL3 وL4 التجميع . يجمع مُقسّم الحزمة (BS) ضوء ذراع العينة وذراع المرجع، والذي يسقط بعد ذلك على مطياف التصوير . على اليمين، يظهر الشكل الهندسي البصري لطرف المجس مع ألياف الإضاءة (DF) والعدسة L1 وألياف التجميع (FB).

يستخدم نظام a/LCI في مجال فورييه ثنائيًا ضوئيًا فائق الإضاءة (SLD) مع مخرج موصول بألياف ضوئية كمصدر للضوء. ويقوم مقسم الألياف بفصل مسار الإشارة عند شدة 90% عن مسار الإشارة المرجعية عند شدة 10%.

يمر الضوء الصادر من ليزر ثنائي باعث للضوء (SLD) عبر عازل ضوئي ، ثم عبر جهاز تحكم في الاستقطاب . وقد ثبت أن التحكم في استقطاب الضوء ضروري لتعظيم الإشارة الضوئية ومقارنة التشتت الزاوي بنموذج تشتت مي. [ 10 ] يُستخدم ليف بصري يحافظ على الاستقطاب لنقل ضوء الإضاءة إلى العينة. وبالمثل، يُستخدم جهاز تحكم ثانٍ في الاستقطاب للتحكم في استقطاب الضوء المار عبر المسار المرجعي.

يتم تجميع شعاع الضوء الخارج من الألياف الضوئية على اليمين باستخدام العدسة L1، مما يؤدي إلى إضاءة النسيج. ونظرًا لأن الألياف الضوئية الموصلة منحرفة عن المحور البصري للعدسة، فإن الشعاع يصل إلى العينة بزاوية مائلة. ثم يتم تجميع الضوء المتناثر عكسيًا بواسطة العدسة نفسها، ويتم جمعه بواسطة حزمة الألياف. تقع الألياف على بُعد بؤري واحد من العدسة، وتقع العينة على بُعد بؤري واحد على الجانب الآخر. يتيح هذا التكوين التقاط الضوء من أقصى مدى للزوايا، ويقلل من التشويش الضوئي الناتج عن الانعكاسات المنتظمة.

في الطرف البعيد لحزمة الألياف، تُصوَّر الإضاءة الصادرة من كل ليف على المطياف. يُخلط الضوء الصادر من ذراعي العينة والمرجع بواسطة مكعب تقسيم الحزمة ، ثم يسقط على فتحة دخول مطياف التصوير. تُنقل البيانات من مطياف التصوير إلى جهاز كمبيوتر عبر منفذ USB لمعالجة الإشارة وعرض النتائج. كما يوفر الكمبيوتر إمكانية التحكم في مطياف التصوير.

نموذج أولي لجهاز طبي

صورة لنظام a/LCI محمول مزود بمسبار ألياف ضوئية يدوي على اليمين ومحرك بصري على اليسار. الحاسوب غير ظاهر في الصورة.

تم مؤخرًا تطوير نظام a/LCI ليُتيح استخدامه في بيئة سريرية بإضافة عصا يدوية. [ 11 ] من خلال التحكم الدقيق في استقطاب ألياف التوصيل، باستخدام ألياف حافظة للاستقطاب ومستقطبات مدمجة، يسمح النظام الجديد بتحريك العصا اليدوية دون تدهور الإشارة الناتج عن تأثيرات الانكسار المزدوج. إضافةً إلى ذلك، يستخدم النظام الجديد عدسة كروية مطلية بمادة مضادة للانعكاس في طرف المسبار، مما يقلل الانعكاسات التي تحد من نطاق عمق النظام.

يستخدم النظام المحمول لوحة بصرية  مربعة الشكل بقياس 60 سم × 60  سم كقاعدة، حيث تُثبّت عليها مصادر الضوء، ومكونات الألياف البصرية، والعدسة، ومقسم الشعاع، ومطياف التصوير. ويحمي غطاء من الألومنيوم المكونات البصرية. ويتيح مسبار الألياف المزود بمسبار يدوي سهولة الوصول إلى عينات الأنسجة لإجراء الاختبارات. وعلى الجانب الأيسر، توجد منصة بيضاء لوضع العينات، حيث تُوضع الأنسجة للاختبار. ويستخدم المشغل المسبار اليدوي لاختيار مواقع محددة على النسيج لأخذ قراءات مؤشر التباين الضوئي (a/LCI).

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بيهتيلا، ج؛ شالوت، ك؛ بوير، ج؛ كينر، ج؛ داميكو، ت؛ جوتفريد، م؛ جريس، ف؛ واكس، أ (2007). "الكشف الموضعي عن الشذوذ النووي في مريء باريت باستخدام قياس التداخل منخفض التماسك ذي الزاوية المحددة". تنظير الجهاز الهضمي . 65 (3): 487-91 . doi : 10.1016/j.gie.2006.10.016 . PMID 17321252 . 
  2. واكس ، آدم؛ بيتهتيلا، جون دبليو؛ غراف، روبرت إن ؛ ناينز، رونالد؛ بون، تشارلز دبليو؛ داساري، راماتشاندرا آر؛ فيلد، مايكل إس؛ ستيل، فيرنون إي؛ ستونر، غاري دي. (2005). "التصنيف الاستباقي للتغيرات الورمية في ظهارة مريء الفئران باستخدام قياس التداخل منخفض التماسك ذي الزاوية المحددة". مجلة البصريات الطبية الحيوية . 10 (5): 051604. Bibcode : 2005JBO....10e1604W . doi : 10.1117/1.2102767 . hdl : 1721.1/87657 . PMID 16292952 . 
  3. ↑ باكمان، ف.؛ جوبال، ف.؛ كلاشنيكوف، م.؛ باديزاديجان، ك.؛ جورجار، ر.؛ واكس، أ.؛ جورجاكودي، إ.؛ مولر، م.؛ وآخرون (2001). "قياس البنية الخلوية على مستوى دون الميكرومتر باستخدام مطيافية تشتت الضوء". مجلة IEEE للمواضيع المختارة في الإلكترونيات الكمومية . 7 (6): 887-893 . Bibcode : 2001IJSTQ...7..887B . doi : 10.1109/2944.983289 . 
  4. ↑ والاس، م؛ بيرلمان، ل.ت؛ باكمان، ف؛ كروفورد، ج.م؛ فيتزموريس، م؛ سيلر، م؛ باديزادجان، ك؛ شيلدز، س.ج؛ وآخرون . (2000). "الكشف التنظيري عن خلل التنسج لدى مرضى مريء باريت باستخدام مطيافية تشتت الضوء". علم الجهاز الهضمي . 119 (3): 677-82 . doi : 10.1053/gast.2000.16511 . PMID 10982761 .  
  5. ↑ لوفات، لورانس ب.؛ بيكارد، ديفيد؛ نوفيللي، ماركو؛ ريبلي، بول م.؛ فرانسيس، هيلين؛ بيجيو، إيرفينغ ج.؛ باون، ستيفن ج. (2000-04-01). "تقنية خزعة بصرية جديدة باستخدام مطيافية التشتت المرن لتشخيص خلل التنسج والسرطان في مريء باريت" . تنظير الجهاز الهضمي . 51 (4): AB227. doi : 10.1016/S0016-5107(00)14616-4 . ISSN 0016-5107 . 
  6. 1 2 واكس، أ؛ يانغ، س؛ باكمان، ف؛ كلاشنيكوف، م؛ داساري، ر.ر؛ فيلد، م.س (2002). "تحديد حجم الجسيمات باستخدام التوزيع الزاوي للضوء المتناثر عكسيًا كما تم قياسه باستخدام قياس التداخل منخفض التماسك" ( ملف PDF) . مجلة الجمعية البصرية الأمريكية أ . 19 (4): 737-44 . Bibcode : 2002JOSAA..19..737W . doi : 10.1364/JOSAA.19.000737 . PMID 11934166. S2CID 15388301 .  
  7. ↑ واكس، أ؛ يانغ، س؛ باكمان، ف؛ باديزادغان، ك؛ بون، س.و؛ داساري، ر.ر؛ فيلد، م.س (2002). "التنظيم الخلوي والبنية الفرعية المقاسة باستخدام قياس التداخل منخفض التماسك ذي الدقة الزاوية" . مجلة الفيزياء الحيوية . 82 (4): 2256-2264 . Bibcode : 2002BpJ....82.2256W . doi : 10.1016/ S0006-3495 (02)75571-9 . PMC 1302018. PMID 11916880 .  
  8. ↑ تشوما، م؛ سارونيك، م؛ يانغ، س؛ إيزات، ج (2003). "ميزة الحساسية للتصوير المقطعي البصري التوافقي ذي المصدر الكاسح ومجال فورييه" (ملف PDF) . مجلة أوبتكس إكسبرس . 11 (18): 2183-2189 . رمز Bibcode : 2003OExpr..11.2183C . doi : 10.1364/OE.11.002183 . PMID 19466106 . 
  9. 1 2 بيهتيلا، جون دبليو؛ بوير، جيفري دي؛ شالوت، كيفن جيه؛ واكس، آدم (2006). "قياس التداخل منخفض التماسك في مجال فورييه مع تحليل الزاوية من خلال حزمة ألياف تنظيرية لتحليل طيف تشتت الضوء". رسائل البصريات . 31 (6): 772-774 . Bibcode : 2006OptL...31..772P . doi : 10.1364/OL.31.000772 . PMID 16544619 . 
  10. ↑ بيهتيلا، جون دبليو؛ واكس، آدم (2007). "تأثيرات الاستقطاب على دقة تحديد حجم المشتتات: تحليل باستخدام قياس التداخل منخفض التماسك في المجال الترددي ذي الزاوية المحددة". البصريات التطبيقية . 46 (10): 1735-1741 . Bibcode : 2007ApOpt..46.1735P . doi : 10.1364/AO.46.001735 . PMID 17356616 . 
  11. ↑ "منظار الأورام" .