پیدا کردن سوزن در انبار کاه

دوربین‌های ویدئویی فوق‌العاده سریع و بسیار حساس به نور ازجمله ابزارهای مورد نیاز و ضروری برای مشاهده دقیق فرآیندهای بسیار سریعی نظیر موج‌های شوک‌آور، ارتباطات میان سلول‌های زنده، فعالیت‌های نورونی، جراحی لیزری و تجزیه و تحلیل‌های خونی است. به منظور ردیابی چنین فرآیندهای سریعی دوربین ویدئویی باید قادر باشد تا میلیون‌ها و حتی میلیاردها تصویر پیاپی را با سرعتی خیره‌کننده و حتی ماورای تصورات فعلی ثبت کند و این در حالی است که دوربین‌های فعلی این توانایی را ندارند.

اکنون محققان مدرسه مهندسی و علوم کاربردی ساموئل هنری دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس ازجمله بهرام جلالی، محقق ایرانی و استادیار مهندسی برق این دانشگاه که نقش محقق اصلی این پروژه را داشته است، موفق به طراحی و ساخت دوربین ویژه‌ای شده‌اند که تقریبا دارای ویژگی‌های مورد نظر است. این دوربین می‌تواند تصاویر متعدد را با سرعتی بالغ بر هزار برابر دوربین‌های ویدئویی فعلی ثبت کند.

محققان این پروژه به همراه بهرام جلالی در گزارش تحقیقاتی خود که در نشریه نیچر به چاپ رسانده‌اند، نوشته‌اند که در این فناوری نوین نگاه کاملا تازه‌ای به فرآیند تصویربرداری شده است. در این تکنیک نوین نیازی به دوربین‌های ویدئویی فعلی مجهز به دستگاه شارژ دوتایی موسوم بهCCD یا نیمه‌هادی اکسید فلزی مکمل یاCMOS نیست. این تیم تحقیقاتی بیش از یک دهه روی این فناوری تحقیق و بررسی کرده‌اند و در حقیقت عمده تمرکز خود را روی بازه زمانی ثبت پرتوهای نوری معطوف نموده‌اند. نتیجه این بررسی‌ها در نوع خود جالب توجه بوده است. آنها اکنون دوربینی را ارائه کرده‌اند که قابلیت ثبت 6 میلیون فریم را در هر ثانیه دارد.

به گفته کارشناسان بیشترین تقاضا برای سیستم‌های تصویربرداری با سرعت‌های بسیار بالا در زمینه فعالیت‌هایی است که در آنها دانشمندان با فرآیندهای بسیار سریع و عمدتا نادر سر و کار دارند. دکتر جلالی در این خصوص می‌گوید: این رویدادها و فرآیندها دقیقا با ضرب‌المثل پیدا کردن سوزنی در انبار کاه قابل مقایسه است. البته در این فرآیندها معمولا اطلاعات بسیار مهمی نیز رد و بدل می‌شود.

دانشمندان کاربردهای گوناگون و جالب توجهی را برای این فناوری نوین متصور شده‌اند. یکی از این موارد سیتومتری جریانی نام دارد. این تکنیک برای تجزیه و تحلیل‌های خونی به کار گرفته می‌شود. سیستم‌های فعلی تجزیه و تحلیل خونی این قابلیت را دارند تا شمار دقیق سلول‌ها را با دقت کامل ثبت کنند و در عین حال می‌توان با استفاده از آنها اطلاعاتی درباره ابعاد این سلول‌ها به دست آورد؛ اما این سیستم‌ها نمی‌توانند تصاویری از تک‌سلول‌ها تهیه کنند. علت کاملا روشن است.

برای این کار به دوربین‌های ویژه‌ای نیاز است تا با سرعتی خیره‌کننده و ماورای تصور به تصویربرداری از این فرآیند بپردازد. در حقیقت تاکنون ابزار و سیستم‌های مورد نیاز برای این کار وجود نداشته است. در همین حال نیاز است در همان زمانی که از این سلول‌ها تصویربرداری می‌شود، سلول‌های بیمار از سلول‌های سالم تشخیص داده شوند.

در حال حاضر چنین تشخیصی به صورت دستی و با استفاده از میکروسکوپ‌های دقیق و البته آن هم از نمونه‌های کوچک خونی افراد صورت می‌گیرد که شاید در بسیاری از موارد نتایج دقیق و صحیحی به همراه نداشته باشند.

اما زمانی که صحبت از بیماری‌های نادر و پیچیده خونی به میان می‌آید، استفاده از چنین نمونه‌برداری‌هایی چندان سودمند به نظر نمی‌رسد. در حقیقت برای تشخیص وجود سلول‌های بسیار خاص و نادر، در حالی که شمار آنها نیز بسیار کم است و از همه مهم‌تر ضروری است تا مرحله دقیق پیشرفت بیماری تشخیص داده شود، باید به دنبال راه دیگری بود.

گردش و انتشار سلول‌های توموری بهترین مثال در این زمینه هستند. کلا تنها چند دسته محدود از آنها در میان صدها میلیون سلول سالم وجود دارند، اما همین تعداد کم نیز می‌توانند بنیانگذار شکل‌گیری فرآیند دگردیسی در سلول‌های سالم و درنهایت پیشروی تومورهای سرطانی را موجب شوند.

دکتر جلالی معتقد است: شانس این که یکی از این سلول‌ها در نمونه خونی مورد آزمایش در زیر میکروسکوپ به دام افتد، بسیار کم و به بیانی دیگر قابل چشم‌پوشی است.

برای پیدا کردن سلول‌های مورد نظر یا همان سوزن در انبار کاه، باید میلیاردها سلول را مورد بررسی قرار داد (کل انبار کاه.) آنچه وی و همکارانش ارائه کرده‌اند همان راه حلی است که بیش از یک دهه تلاش روی آن صورت گرفته است.

در این فناوری نوین، سیستم بر اساس ثبت هر تصویر با استفاده از پالس لیزری فوق‌العاده کوتاه عمل می‌کند. این پالس فلشی از نور است که تنها یک میلیاردم ثانیه حیات دارد.

در ادامه سیستم هر یک از این پالس‌ها را به جریان اطلاعاتی سریالی تبدیل می‌کند که بیشتر شبیه داده‌های موجود در شبکه فیبر نوری است تا سیگنال‌هایی که از یک دوربین خارج می‌شوند.

این پالس‌ها که هر یک دربرگیرنده تصویری کامل هستند با استفاده از تکنیکی خاص تقویت شده و در عین حال به طور همزمان نیز در طول زمان کشیده شده تا به نقطه‌ای برسند که در آن آنقدر آرام شوند که با استفاده از یک مبدل دیجیتالی بتوان آنها را ثبت کرد.

در حال حاضر مشکلات زیادی در زمینه طراحی و ساخت دوربین‌های بسیار سریع وجود دارد که از جمله آنها می‌توان به کاهش حساسیت دوربین در سرعت‌های بالا اشاره کرد. دکتر جلالی در این زمینه می‌گوید: مهم‌ترین مشکل ما نیز همین مورد است. دوربین در سرعت‌های بیشتر، حساسیت خود را بتدریج از دست می‌دهد. اما در این فناوری نوین نیز بر این مشکل غلبه شده است. استفاده از تقویت کننده تصویر نوری همان راه‌حلی است که برای غلبه بر این مانع بزرگ به کار گرفته شده است.

با توجه به موفقیت‌های اولیه محققان در ارائه این فناوری نوین از هم اکنون می‌توان روزی را متصور شد که بررسی نمونه‌های خونی با سرعت و دقت خیره‌کننده‌تری همراه خواهد شد و بسیاری از موانع در زمینه تشخیص سریع بیماری‌ها بویژه بیماری‌های خاصی برداشته خواهد شد.

مهدی پیرگزی