Metalens mikroskop anahtarları hareketli optiklere değil, gerilime odaklanır

Bir kameranın hem yakındaki bir çiçeği hem de uzaktaki bir dağı aynı anda net bir şekilde odaklaması zor olduğu gibi, geleneksel optik mikroskoplar da vücudun farklı derinliklerinde bulunan yapıları görüntülerken benzer bir zorlukla karşı karşıyadır. Işığın daha sıkı odaklanması mekansal çözünürlüğü artırır ancak aynı zamanda görüntünün keskin bir şekilde odaklandığı derinlik aralığını da azaltır.

POSTECH’te profesörler Junsuk Rho ve Chulhong Kim liderliğindeki ortak bir araştırma ekibi, herhangi bir optik bileşeni mekanik olarak hareket ettirmeden, yalnızca uygulanan voltajı kontrol ederek farklı görüntüleme derinlikleri arasında geçiş yapabilen, çift odaklı metal bazlı bir fotoakustik mikroskopi sistemi geliştirdi. Çalışma şurada yayınlandı: Işık: Bilim ve Uygulamalar.

Keskinlik ve derinlik arasındaki denge

Fotoakustik mikroskopi, lazer ışığının biyolojik dokuya iletildiği, optik absorpsiyonun daha sonra bir görüntü oluşturmak üzere algılanan ultrasonik dalgalar ürettiği bir görüntüleme tekniğidir. Özellikle, optik çözünürlüklü fotoakustik mikroskopi, mikrometre ölçeğinde uzaysal çözünürlüğe ulaşmak için ışığa sıkı bir şekilde odaklanır ve ince damar yapılarının ayrıntılı görselleştirilmesine olanak tanır.

Ancak daha sıkı optik odaklama kaçınılmaz olarak daha kısa odak derinliğiyle sonuçlanır. Sonuç olarak, yalnızca sınırlı bir eksenel bölge keskin bir şekilde görüntülenebilir, bu da geniş bir derinlik aralığına dağılmış üç boyutlu biyolojik yapıların görselleştirilmesini zorlaştırır.

Geleneksel yaklaşımlar, daha uzun bir eksenel aralıkta dar bir merkezi odağı koruyabilen Bessel ışınlarını kullanarak görüntüleme derinliğini genişletmeye çalışmıştır. Bununla birlikte, Bessel ışınları doğal olarak merkezi ışın etrafında belirgin yan loblar oluşturur ve bunlar arka plan sinyallerini tanıtabilir, görüntü kontrastını azaltabilir ve görüntüleme kalitesini düşürebilir.

Odak derinliklerini voltajla değiştirme

POBTEK ekibi, fiziksel olarak hareket eden optik bileşenler yerine ışığın polarizasyon durumunu kontrol ederek bu zorluğun üstesinden geldi.

Sistemin anahtarı iki optik bileşenin entegrasyonunda yatmaktadır. Bunlardan ilki, gelen ışığın sağ veya sol dairesel polarize olmasına bağlı olarak farklı eksenel konumlarda odak noktaları oluşturmak üzere tasarlanmış çift odaklı bir metaldir. İkincisi, uygulanan voltaja yanıt olarak gelen ışığın polarizasyon durumunu değiştiren, elektrikle çalışan bir sıvı kristal hücredir. Hücre, akıllı telefon ekranlarında kullanılanla aynı türde sıvı kristali kullanıyor.

Bu iki bileşeni birleştirerek araştırmacılar, sıvı kristal hücreye uygulanan voltajı ayarlayarak iki odak derinliği arasında elektronik olarak geçiş yapabildiler; her geçiş yalnızca yaklaşık 0,25 saniye sürdü. Metaller ayrıca halka şeklinde bir ultrasonik dönüştürücü ile entegre edilerek optik ve akustik eksenlerin kompakt bir fotoakustik mikroskopi konfigürasyonunda hizalanmasına olanak sağlandı.

Sistem, iki odak modu arasında geçiş yaparak yaklaşık 1,2 mm’lik genel eksenel görüntüleme aralığına ulaştı. İki odak pozisyonundaki yanal uzaysal çözünürlükler sırasıyla yaklaşık 3,1 μm ve 3,7 μm idi ve mikroskobik vasküler yapıları görselleştirmek için yeterli çözünürlük sağlıyordu.

Farklı göz derinliklerindeki damarların çözümlenmesi

Sistemin performansı, kimyasal olarak indüklenen kornea hasarına sahip farelerin gözlerinin görüntülenmesiyle deneysel olarak doğrulandı. Daha sığ odak modunda korneada yeni oluşan kan damarları net bir şekilde görüntülendi. Daha derin odak modunda, yüzeyin yaklaşık 2,2 mm altında bulunan irisin yakınındaki kan damarları seçici olarak çözümlendi. Bu sonuçlar, büyük ölçüde farklı derinliklerde bulunan vasküler yapıların, herhangi bir optik bileşeni mekanik olarak hareket ettirmeden, yüksek uzaysal çözünürlükte seçici olarak görselleştirilebileceğini göstermektedir.

Teknoloji, klinik olarak ilgili kan damarlarının gözün farklı derinliklerine dağıtıldığı oftalmik görüntüleme için özellikle yararlı olabilir. Diyabetik retinopati ve diğer damar bozuklukları gibi hastalıklar, gözün birçok bölgesindeki damar yapılarının doğru değerlendirilmesini gerektirir.

Rho şöyle açıkladı: “Metalenlerdeki polarizasyon çoğullamadan yararlanarak, optik bileşenleri mekanik olarak hareket ettirmeden derinlik yönü boyunca yüksek çözünürlüklü bir optik odağı değiştirebiliriz. Mekanik hareketin ortadan kaldırılması aynı zamanda daha kompakt ve kararlı görüntüleme sistemlerine olanak tanıyarak çok çeşitli biyomedikal ve endüstriyel görüntüleme platformlarındaki uygulamalar için fırsatlar sağlayabilir.”

Çalışmanın ilk yazarlarından biri, POSTECH Makine Mühendisliği Bölümü, Eunwoo Park, Ph.D.’den Dr. Hongyoon Kim tarafından yazılmıştır. POSTECH’in Biyomedikal Mühendisliği Bölümü adayı ve Kyungpook Ulusal Üniversitesi’nden profesör Jungwoo Park.