Med yoghurt och krossat glas, University of Michigan forskare har tagit ett steg mot att använda synligt ljus för att avbilda inuti kroppen. Deras metod för att fokusera ljus genom dessa material är mycket snabbare och enklare än dagens dominerande tillvägagångssätt.

Täta strukturer som ben syns tydligt i röntgenstrålar, men mjukare vävnader som organ och tumörer är svåra att urskilja. Det beror på att röntgenstrålar avböjs kraftigt av ben, medan de skär rakt igenom mjuk vävnad.

Synligt ljus, å andra sidan, avleds av mjuk vävnad. Tills nyligen, detta har gjort att se genom huden med synligt ljus till en icke-startare – medan ljus kan tränga igenom, det är utspritt åt alla håll. På samma gång, synligt ljus skulle vara säkrare för diagnostisk bildbehandling än röntgenstrålar med högre energi.

"Ljus kommer in, det träffar en molekyl, träffar en annan, träffar en annan, gör något riktigt galet, och går ut denna väg, sa Moussa N'Gom, biträdande forskare inom elektroteknik och datavetenskap och första författare på en studie i Vetenskapliga rapporter det förklarar utmaningen att förutsäga vägarna för individuella ljusstrålar.

Genom att förstå exakt hur en hudfläck sprider ljuset, forskare hoppas kunna mönstra ljusstrålarna noggrant så att de fokuserar inuti kroppen - ett första steg mot att se in i den.

I deras experiment, forskarna stavade "MICHIGAN" med en ljusstråle som lyste genom yoghurt och krossat glas. De valde dessa material eftersom de sprider ljus starkt och fungerar som bra modeller för huden. Deras demonstration, påminner om att skriva ett namn med en ficklampa, visar att de kan ta en singel, snabb skanning av materialet och fokusera genom det på många punkter – vilket de skulle behöva göra om de avbildar vävnad inuti kroppen.

En förbättring av dagens synsätt

Området för att avbilda objekt genom material, från lager av färg till äggskal och till och med musskallar, har gjort stora framsteg under det senaste decenniet. Den typiska "holografiska" metoden reder ut spridningsmönstret genom att titta på hur ljusvågorna interfererar med varandra - detta ger information om hur olika strålar fördröjdes på sin väg genom materialet.

Denna metod är mycket exakt, sa N'Gom, men det går långsamt. För att påskynda saker, forskare räknar vanligtvis ut precis tillräckligt mycket av spridningsmönstret för att fokusera på en viss punkt. För att fokusera på en annan punkt, materialet måste skannas igen. Detta skulle sakta ner processen för att mäta storleken eller strukturen på en tumör, till exempel.

"Vår metod är betydligt snabbare och mer bekväm eftersom vi använder en enda uppsättning mätningar för att generera alla dessa punkter, och vi behöver inte skanna igen, " sa N'Gom.

Som är typiskt för experiment med fokusering genom material, forskarna använde en rumslig ljusmodulator för att producera ljusmönster. Om du lyste en laser genom frostat glas, det skulle komma in vid en punkt på ena sidan, i en viss vinkel, och lämna sedan andra sidan genom många punkter, åt olika håll. Genom att kombinera en skärm med en rad speglar, en rumslig ljusmodulator kan göra det omvända, sänder ljus till en yta på många punkter, i många vinklar, så att dessa strålar konvergerar på en punkt på andra sidan av materialet.

De ställer in den rumsliga ljusmodulatorn för att lysa i hundratals olika mönster (461 totalt). Men istället för att analysera vägarna för individuella ljusstrålar som kommer från andra sidan, N'Goms team mätte ljusstyrkan - hur mycket ljus som kom ut.

De utvecklade en algoritm för att tråla igenom de inkommande ljusmönstren och utgående ljusstyrkamätningar, använda informationen för att bygga upp en matematisk representation av materialets spridningsmönster, kallas transmissionsmatrisen.

"Tidigare tekniker, istället, använde komplexa så kallade holografiska inställningar för att extrahera nödvändig information, " sa Raj Rao Nadakuditi, docent i elektroteknik och datavetenskap och senior författare på studien. "Vi kunde uppnå samma sak genom enkla ljusstyrkemätningar och som ett resultat fungera mycket snabbare."

Med hjälp av transmissionsmatrisen, N'Goms team kunde komma på exakt hur man ställer in den rumsliga ljusmodulatorn för att få en ljus punkt när som helst på andra sidan av det malda glaset eller yoghurten.

I yoghurten, det fanns en tidsgräns för hur länge kartan var bra – bara några minuter. Det var tillräckligt med tid för N'Gom och hans kollegor att stava "MICHIGAN" i 157 skott.

Första bilder möjliga inom fem år

I huden, tidsbegränsningarna är mycket snävare – de skulle behöva en ny karta ungefär varje millisekund. Ändå, med toppmodern elektronik, N'Gom tror att deras algoritm kan köras så snabbt.

En annan utmaning med att se genom huden är att de inte skulle kunna placera en detektor under den för att mäta ljusets ljusstyrka. För detta, N'Gom sa att forskare använder ultraljud för att upptäcka uppvärmning i målvävnaden - ett mått på hur mycket ljus som kommer igenom.

Till sist, med ljuset fokuserat inuti, en bildapparat skulle fortfarande behöva fokusera ljuset som kommer tillbaka från huden. För detta, de kunde i huvudsak köra ljusmönstret tillbaka genom transmissionsmatrisen för att härleda varifrån reflektionen kom.

Med tanke på de senaste framstegen och pågående studier för att fokusera ljus genom genomskinliga material, N'Gom räknar med att vi kan se de första bilderna av synligt ljus som tas genom huden inom de närmaste fem åren.