لیزرهای VCSEL[1] لیزر دیودهایی هستند که عمود بر سطح ویفری که روی آنها ساخته شده اند تابش می کنند. در حال حاضر این منابع نوری همدوس در حسگرهای سه بعدی تلفن های هوشمند و سیستم تشخیص و فاصله یاب نوری (لیدار) مورد استفاده قرار می گیرند. تحقیقات مفصلی با هدف بهره برداری بیشتر از قابلیت VCSEL ها در حال انجام است. در اینجا، نمونه ای از طیف نگاری فروسرخ نزدیک عملکردی (fNIRS[2]) با استفاده از VCSEL های فروسرخ نزدیک با هدف دستیابی به تصاویری با وضوح بالا ارائه شده است.
کاربرد VCSEL در fNIRS
در طیف نگاری فروسرخ نزدیک، از نور فروسرخ نزدیک برای اندازه گیری غیرمخرب پراکندگی فعالیت مغز استفاده می شود. این روش عمدتاً به عنوان ابزار اندازه گیری در تحقیقات علوم مغزی مورد استفاده قرار می گیرد. در ژاپن، استفاده کمکی از این روش برای تشخیص افسردگی و معاینه جراحی پیش از تشنج، تحت پوشش بیمه قرار دارد. در حال حاضر fNIRS برای استفاده احتمالی در شناخت اثرات دارویی و توانبخشی داروی اختلال کم توجهی- بیش فعالی (ADHD[3]) مورد مطالعه قرار می گیرد [۱ و ۲].
در حال حاضر تجزیه و تحلیل شبکه عملکردی[۴]، به عنوان ابزاری برای تجزیه و تحلیل فعالیت و عملکرد هر منطقه از شبکه مغز مورد توجه قرار گرفته و این امر تشخیص بیماری زوال عقل، اسکیزوفرنی، اوتیسم و سایر بیماریهای مشابه را ممکن می سازد. تجزیه و تحلیل شبکه عملکردی با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملیاتی (fMRI[5]) انجام می شود. برای این منظور fNIRS معمولی از دقت وضوح مکانی کافی برخوردار نیست، اما دستگاه اندازه گیری ساده آن برای اندازه گیری های آسان که شامل معاینات پزشکی است، ضروری است.
توموگرافی نوری پراکنده (DOT) چند جهته
توموگرافی نوری پراکنده (DOT[6]) یک نسخه پیشرفته از fNIRS است که تصویربرداری عملیاتی با دقت بالا و سه بعدی از فضای داخلی بدن را امکان پذیر می سازد [۳]. DOT را می توان با حل عیب های آن از طریق داده های آشکارساز صفحه دو بعدی به داده های سه بعدی توسعه داد. این امر به تجزیه و تحلیل بسیار دقیق نیاز دارد. در این روش ابتدا مقدار نور ثبت شده با حل مدل انتشار نور در بدن زنده محاسبه می شود، در مرحله بعد توزیع جاذب نوری (توزیع جریان خون مغزی) با به حداقل رساندن تفاوت بین مقدار اندازه گیری قبلی و واقعی بدست می آید.
در این روش مشکل معکوس با استفاده از روش تخمین سلسله مراتبی Bayesian حل شده است [۴]. هرچند برای به دست آوردن اطلاعات لازم برای بازسازی سه بعدی، استفاده از اندازه گیری fNIRS با پروب چگالی بالا با فاصله حداکثر ۱۵ میلیمتر مورد نیاز است که این روش را پیچیده تر و پر زحمت تر می کند. بنابراین روشی معرفی شده است که می تواند DOT ساده را با استفاده از یک منبع نور چند جهته و آشکارساز چند جهته انجام دهد (شکل ۱). در این حالت با انتشار یک پرتو با دو طول موج از یک کاوشگر در چهار جهت و دریافت نور در چهار جهت، وضوح مکانی ناحیه فعال سازی جریان خون مغزی افزایش می یابد. علاوه بر این، انتشار نور در جهات مختلف نسبت به سطح بدن موجود زنده از مسیرهای مختلفی انجام و باعث افزایش اطلاعات می شود. یک شبه کاوشگر با چگالی بالا با فرض این که انتشار نور در بدن زنده هدایت می شود، محقق شده است [۵].
[۱] Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers
[۲] Functional Near-Infrared Spectroscopy
[۳] Attention-Deficit Hyperactivity Disorder
[۴] Functional Network Analysis
[۵] Functional Magnetic-Resonance Imaging
[۶] Diffuse Optical Tomography
شکل ۱- طرحواره ای از عملکرد fNIRS.
DOT چند جهته را می توان با انجام شبیه سازی نوری بسیار دقیق، به گونه ای که سمت گیری نور برخوردی حفظ شود، تحقق بخشید. به طور کلی، انتشار نور در بدن، مثلاً پوست انسان، اغلب به صورت معادله پخش شبیه سازی می شود. با این حال، مشکل در اینجا پاک شدگی جهت انتشار پرتو است. روش دیگر، روشی است که در آن از شبیه سازی مونت کارلو استفاده می شود، البته این روش تحلیلی نیست [۶]. یک ابزار شبیه سازی عمومی وجود دارد که از مونت کارلو حداکثری (MCX[1]) استفاده می کند [۷]. این برنامه در CUDA برای استفاده از واحد پردازش گرافیکی نوشته شده است و می تواند بر اساس تعداد فوتون های بالاتر از ۱۰، محاسبه انجام دهد [۹]. در اینجا، یک شبیه سازی نوری با استفاده از MCX برای توصیف دقیق جهت انتشار نور انجام شده است.
طراحی نوری ماژول چندجهته
چهار ماژول انتقال و دریافت نور با فاصله نسبی حدود ۳۰ میلیمتر فراهم شده است. ماژول انتقال نور برای انتشار دو طول موج فروسرخ نزدیک از چهار جهت که از یک موقعیت گسیل می شوند، طراحی شده است. از دو تراشه VCSEL با طول موج ۷۸۰ و ۹۰۵ نانومتر به عنوان منبع نوری استفاده شده است. هر تراشه VCSEL حدود ۱ میلیمتر مربع است. چهار نقطه تابش نور بر روی تراشه در یک مربع با فاصله حدود ۵۰۰ میکرومتر قرار گرفته اند.
یک لنز با قطر مؤثر حدود ۱ میلیمتر و فاصله کانونی ۰٫۱ میلیمتر در تراشه VCSEL در موقعیتی در حدود ۱۰۰ میکرومتر دورتر از تراشه نصب شده است. از یک جفت لنز برای دو VCSEL مجاور هم برای دو طول موج مختلف استفاده شده است. نور توسط لنزها شکسته و در چهار جهت تفکیک شده است (شکل ۲).
سپس یک منشور بعد از جفت لنزها قرار می گیرد تا پرتوی نور را از هر سطح جانبی منعکس کرده و هشت پرتوی نوری را در مرکز سطح بالای منشور تجمیع کند. لنز ۱ میلیمتری در فاصله چند میکرومتری از مرکز تراشه VCSEL جابجا می شود تا موقعیت نسبی تراشه اصلاح شود [۸].
[۱] Monte Carlo Extreme
شکل ۲- منشور رزین، نور گسیلی از دو VCSEL که در فاصله ۱ میلیمتر از هم قرار دارند را به چهار قسمت تقسیم می کند و در نتیجه هشت باریکه با جهت های مختلف ایجاد می کند. همه پرتوها در یک نقطه بر روی سطح مورد نظر همگرا می شوند که از تغییر موقعیت VCSEL های ۱ و ۲ نسبت به مرکز لنز به اندازه چند میکرومتر حاصل می شود [۸].
نصب قطعات
یک برد مدار چاپی (PCB[1]) 10 میلیمتر مربعی، دو VCSEL یک میلی متر مربعی که هر دو از طریق اتصال سیم به برق وصل شده اند را نگه می دارد. دو VCSEL با دقت حدود ۱ میکرومتر در زیر میکروسکوپ روی پایه قرار گرفته اند و در محل ثابت شده اند. PCB روی یک ظرف فلزی با قطر حدود ۳۰ میلی متر نصب شده است (شکل a3). این ظرف فلزی روی یک PCB بزرگ که یک میکروکامپیوتر نیز به آن متصل شده، قرار گرفته است. اتصال سیم بین VCSEL و پایه و بین پایه و ظرف فلزی انجام می شود. یک جفت لنز با استفاده از رزین ماوراء بنفش (UV) با فاصله مناسب موقعیت یابی و به دقت جایگذاری شده اند به گونه ای که فاصله بین مراکز لنزها به یک مقدار طراحی[۲] تبدیل شده است (شکل b3). مرکز لنز به گونه ای با مقدار طراحی موقعیت یابی شده که تلورانس شکل بیرونی لنز بی تأثیر است.
[۱] Printed Circuit Board
[۲] Design Value
شکل ۳- در تصویر، نصب دقیق قطعات نشان داده شده است. (a) در زیر میکروسکوپ، دو تراشه VCSEL با دقت بالا با اتصال سیم تنظیم شده اند. (b) از یک جفت لنز ۱ میلی متری استفاده شده است. (c) فاصله بین دو لنز با القاء فشار یک میله MEMS کنترل شده و لنزها با چسب UV ثابت شده اند. (d) موقعیت منشور با هم ترازی فعال با هشت پیچ کنترل و ثابت شده است.
برای نصب دقیق، یک سیستم میکروالکترومکانیکی (MEMS[1]) به روش فوتولیتوگرافی ساخته شده است. این ابزار دارای یک حفره با سطح شیب دارِ یک هرم وارونه است که با مقدار طراحی مطابقت دارد. برای قرار دادن لنزهای محدب ۱ میلیمتری در حفره، فشاری اعمال شده است. با تابش نور ماوراء بنفش، لنزها در جای خود ثابت شده اند (شکل c3). از آنجا که نصب دو تراشه VCSEL و لنز ۱ میلیمتری نیاز به تراز بسیار دقیق دارد، از یک روش تراز فعال استفاده شده است که در آن منشور به محض بررسی موقعیت های هشت پرتو نوری به راحتی جابجا می شود (شکل d3). هدف این گونه مشخص می شود که هشت باریکه باید در مربع های ۱ میلیمتری در وجه انتهایی منشور وارد شوند.
ماژول دریافت نور از یک فوتودیود چهار سلولی (PD؛ ۳ میلیمتر مربع) با یک لنز به قطر ۳ میلیمتر دقیقاً در بالای آن، برای تعیین جهت برخورد استفاده می کند. این مونتاژ، مراکز هر دو لنز و PD را با دقت مکانیکی در زیر میکروسکوپ تراز می کند. هر ماژول به یک PCB (که روی آن یک میکروکامپیوتر و تقویت کننده قرار دارد) و یک ماژول به ابعاد ۱۰۰× ۱۰×۱۰ میلیمتر به عنوان شکل بیرونی مجهز است (شکل ۴).
[۱] Microelectromechanical-Systems
شکل ۴- یک VCSEL با مانیتور شدت نور [۹].
نتایج اندازه گیری
اندازه گیری ها با فانتوم انجام شده است. در ادامه دو تصحیح انجام شده شرح داده خواهد شد. تصحیح اول سیستمی است که میزان نور ساطع شده از VCSEL را مانیتور می کند. مانیتور VCSEL از این واقعیت استفاده می کند که نور نشتی از مجاورت VCSEL وارد لایه فعال VCSEL می شود و یک نیروی محرکه الکتریکی تولید می کند (شکل ۵). مانیتور PD را می توان در یک منطقه بسیار کوچک مجدداً تعبیه کرد. تصحیح دوم با قرار دادن هشت باریکه در ۱ میلیمتر در قسمت انتهایی منشور انجام شده است. از آنجا که دستیابی به موقعیت مکانی زیر میلیمتر دشوار است، موقعیت باریکه اندازه گیری و اصلاحات در محاسبه مسأله گنجانده شد و خطای تخمین موقعیت فانتوم ۳۰% بهبود یافت. نتایج نشان می دهد که برآورد سه بعدی با خطای مکانی ۵ میلیمتر، حتی با اندازه گیری چگالی کم با فاصله پروب ۳۰ میلی متر (تا عمق ۱۵ میلی متر) امکان پذیر است [۱۰].
شکل ۵- ماژول fNIRS چندجهته [۱۱].
در یک آزمون در حالی که عمل گرفتن با دست راست انجام شد، فعالیت محرک چپ و کورتکس حسی مغز در هر یک از افراد تحت آزمون با DOT چند جهته و fMRI اندازه گیری شد (شکل ۶). پس از مقایسه نتایج تصویر شده توسط DOT چند جهته و fMRI، خطای مکانی حدود ۵ تا ۶ میلی متر با همبستگی مکانی حدود ۰٫۳ تا ۰٫۵ مشاهده شد. در شکل ۶ نتایج سه اندازه گیری مکرر نشان داده شده است [۱۱].
شکل ۶- (a) fMRI و (b) دوره زمانی هر ماژول fNIRS [11].
اگرچه کیفیت بالای به دست آمده با fNIRS محدود به مناطقی از مغز است که با نور قابل دسترسی است، اما در نهایت کیفیتی حاصل می شود که تجزیه و تحلیل شبکه را در سطح منطقه عملیاتی امکان پذیر می کند. بنابراین fNIRS پتانسیل بالایی برای معاینه طیف گسترده ای از امراض، مانند بیماری های مغزی را داراست.
شکل ۷- نتایج fNIRS (اندازه گیری سه بار تکرار شده است) [۱۱].
REFERENCES
- Y. Monden et al., Neuroimage Clin., 1, 131–۱۴۰ (۲۰۱۲).
- M. Mihara et al., Neurophotonics, 3, 031414 (2016).
- A. T. Eggebrecht et al., Nat. Photonics, 8, 448–۴۵۴ (۲۰۱۴).
- T. Shimokawa et al., Opt. Express, 20, 20427–۲۰۴۴۶ (۲۰۱۲).
- T. Ishii et al., U.S. Patent No.10039452 (2018).
- Q. Fang et al., Opt. Express, 17, 20178 (2009).
- See http://mcx.space.
- T. Ishii et al., U.S. Patent No.10175169 (2019).
- T. Ishii et al., U.S. Patent No.10177530 (2019).
- T. Shimokawa et al., Biomed. Opt. Express, 7, 2623 (2016).
- T. Shimokawa et al., Biomed. Opt. Express, 10, 1393 (2019).