Kiedy skierujemy wskaźnik laserowy na ścianę i przyjrzymy się czerwonej plamce, zauważymy drobne jasne i ciemne ziarna. Ten nierównomierny wzór to tak zwane speckle laserowe. Powstaje, ponieważ światło odbite od mikroskopijnych nierówności biegnie różnymi drogami. Spotykające się fale miejscami się wzmacniają, a miejscami wygaszają.

Speckle pojawia się również w optycznej tomografii koherentnej, czyli OCT. Metoda wykorzystuje nakładanie się fal świetlnych do tworzenia przekrojów tkanek, między innymi siatkówki. Ta sama właściwość światła, która umożliwia dokładny pomiar, może więc wytwarzać ziarniste zakłócenia przesłaniające szczegóły. Obraz pogarszają także niedoskonałości układu optycznego i sama tkanka, które zmieniają drogę oraz fazę światła. Naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka ICTER i Instytutu Chemii Fizycznej PAN zaproponowali rozwiązanie pozornie sprzeczne z intuicją: dodali do układu kolejną warstwę rozpraszającą. Wyniki opisali w „Scientific Reports”.

Zamiast próbować uzyskać jeden idealny obraz, zebrali wiele pomiarów, w których zakłócenia za każdym razem wyglądały trochę inaczej. Elementy nieruchomego obiektu pozostawały w tych samych miejscach, natomiast speckle i część zniekształceń się zmieniały. Dzięki temu można je było osłabić przez uśrednianie.

Rolę dynamicznej warstwy rozpraszającej pełniło zwykłe mleko o zawartości 3,2 proc. tłuszczu. Jego mikroskopijne składniki stale się poruszają, za każdym razem nieco inaczej zmieniając przechodzące światło. Badacze umieścili w mleku płaską tablicę z coraz drobniejszymi liniami, używaną do sprawdzania rozdzielczości urządzeń optycznych. Wykonali 100 przestrzennych skanów OCT, a następnie wybrali z nich obrazy pochodzące z głębokości, na której znajdował się wzorzec.

Obrazy połączono na dwa sposoby. Prostszy uwzględniał głównie jasność sygnału. Drugi wykorzystywał także fazę, czyli informację o wzajemnym ułożeniu fal. Pozwalał skuteczniej usuwać niepożądane tło i zachowywać kontrast, ale wymagał bardzo dokładnego dopasowania kolejnych pomiarów. Dodanie mleka nie poprawiało obrazu tablicy oglądanej bez żadnej przeszkody. Kontrast spadł z 0,87 do 0,81 lub 0,84, zależnie od sposobu łączenia danych, a rozdzielczość poprzeczna pogorszyła się z 4,6 do około 7,5–7,7 mikrometra. Osłabienie speckli zostało więc okupione częściowym rozmyciem obrazu.

Korzyść pojawiła się dopiero wtedy, gdy światło napotkało przeszkodę. W pierwszej próbie tablicę przykryto taśmą klejącą, która nieregularnie zmieniała przechodzące przez nią światło. Na pojedynczym obrazie linie wzorca ginęły w zniekształceniach. Po dodaniu mleka i uśrednieniu serii pomiarów stały się znacznie czytelniejsze.

W najtrudniejszej próbie taśmę zastąpiono utrwalonym skrawkiem mózgu myszy o grubości 250 mikrometrów. Tablica była znanym wzorcem, dzięki któremu można było sprawdzić, które szczegóły znikają podczas przejścia światła przez tkankę, a które stają się ponownie widoczne po uśrednieniu pomiarów. Podobny problem występuje w praktyce, gdy interesującą strukturę trzeba obserwować przez leżące przed nią warstwy biologiczne.

Po powtórzeniu procedury z mlekiem część linii ponownie stała się widoczna. Doświadczenie dowiodło, że taka metoda może ograniczyć część zakłóceń wprowadzanych przez cienką warstwę znajdującą się na drodze światła. Nie można jednak z tego na razie wnioskować, że metoda pozwala dokładniej obrazować budowę samej tkanki albo żywe oko.

Metoda nie odzyska również informacji, która całkowicie zniknęła. Jeżeli pojedyncze obrazy są zbyt mocno rozmyte, ich uśrednianie nie pomoże. Eksperyment dotyczył nieruchomego wzorca i utrwalonej tkanki, a między kolejnymi skanami czekano 60 sekund. Obliczenia wskazywały wprawdzie, że nowy układ speckli mógł powstawać już po około 0,4 sekundy, ale zebranie wielu obrazów poruszającego się oka nadal byłoby trudne.

W przyszłości mleko mogłaby zastąpić niewielka komora z szybko poruszającym się ośrodkiem rozpraszającym, połączona z obiektywem mikroskopu. Nie wiadomo jeszcze, czy takie rozwiązanie okaże się wystarczająco szybkie w praktyce klinicznej. Badanie pokazuje jednak, że w niesprzyjających warunkach kontrolowane rozpraszanie może zwiększyć czytelność obrazu i ograniczyć speckle, choć ceną jest częściowa utrata ostrości.

Nauka w Polsce

kmp/ agt/