Pozwolić światłu zbłądzić. Zaskakujący sposób ICTER na lepsze obrazowanie

Światło rozproszone w tkance zwykle przestaje być dobrym źródłem informacji. A co, jeśli zamiast zmuszać je do poruszania się jedną drogą, pozwolić mu za każdym razem zbłądzić trochę inaczej? Naukowcy z ICTER sprawdzili ten pozornie ryzykowny pomysł i pokazali, że seria różniących się pomiarów może dać czytelniejszy obraz niż pojedyncza klatka.

Za nową metodą stoją naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER), będącego częścią Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Pierwszą autorką badania jest mgr inż. Klaudia Nowacka-Pieszak. Wraz z nią pracowali dr inż.  Piotr Kasprzycki, mgr Patricio Espinoza Guevara, dr Karol Karnowski i dr hab. Dawid Borycki.

Zespół połączył model matematyczny, symulacje komputerowe i eksperymenty wykorzystujące obrazowanie OCT. Badacze chcieli sprawdzić, czy kontrolowane zmiany sposobu rozpraszania światła mogą ograniczyć szum plamkowy i zmniejszyć wrażliwość obrazu na wybrane zniekształcenia optyczne. Wyniki opisano w artykule "Reducing spatial coherence via dynamic scattering media enables aberration and speckle suppression in optical imaging", opublikowanym w "Scientific Reports".

Ten sam obiekt, inne zakłócenia

Światło przechodzące przez tkankę napotyka błony komórkowe, włókna, naczynia oraz granice między strukturami o różnych właściwościach optycznych. Część promieni zmienia kierunek, a faza fali zostaje zaburzona. Obraz może przez to stracić ostrość, ulec deformacji albo zostać przykryty ziarnistą fakturą.

Ta faktura to szum plamkowy. Powstaje, gdy fale rozproszone w różnych częściach próbki nakładają się na siebie. W jednych miejscach się wzmacniają, w innych wygaszają. W efekcie na obrazie pojawia się przypadkowy układ jasnych i ciemnych punktów, który może przesłaniać drobne struktury.

Szum plamkowy nie jest zwykłym szumem elektronicznym; wynika on z własności użytego światła (tutaj spójnego laserowego). Szum plamkowy jest nierozerwalnie związany z użyciem światła spójnego przestrzennie. Bez spójności znika, ale traci się też możliwość obrazowania interferometrycznego, takiego jak OCT, w którym spójność jest wykorzystywana do wyboru fotonów niosących informację strukturalną.

Metoda opracowana przez zespół ICTER nie próbuje zapewnić każdemu pomiarowi identycznych warunków. Robi coś odwrotnego: celowo zmienia sposób, w jaki światło dociera do nieruchomego obiektu. Każda klatka zawiera więc nieco inny układ plamek i zniekształceń. Jeżeli kolejne obrazy są od siebie wystarczająco niezależne, można je uśrednić. Stała struktura obiektu powtarza się i zostaje zachowana. Przypadkowe artefakty zmieniają położenie, dlatego podczas łączenia danych artefakty stopniowo słabną.

"Rozpraszanie jest zwykle postrzegane jako wróg obrazowania o wysokiej rozdzielczości. Pokazujemy, że gdy jest starannie kontrolowane i ma charakter dynamiczny, może w rzeczywistości stać się użytecznym narzędziem: zmieniając sposób, w jaki światło dociera do próbki z jednego pomiaru na kolejny, możemy tłumić szum plamkowy i ograniczać zniekształcenia obrazu. Otwiera to nową drogę do zwiększenia odporności obrazowania optycznego bez polegania na coraz bardziej złożonym sprzęcie optycznym" - powiedziała Klaudia Nowacka-Pieszak, pierwsza autorka pracy.

Warstwa, która wprawia obraz w ruch

Różnorodność pomiarów zapewniał dynamiczny ośrodek rozpraszający, który powodował niewielkie, zmienne w czasie odchylenie kierunku i fazy światła. Każdy kolejny pomiar pokazuje więc ten sam obiekt oświetlony nieco inną falą. Różnice nie mogą być zbyt duże. Nadmierne rozpraszanie zniszczyłoby użyteczny sygnał i mocno rozmyłoby obraz. Potrzebny jest kompromis: zmienność powinna wystarczyć do wytworzenia niezależnych wzorów plamek, ale nie może usunąć informacji o obiekcie.

Dynamiczny ośrodek rozpraszający zmniejsza efektywną spójność przestrzenną światła. Wysoka spójność przestrzenna jest potrzebna w pomiarach interferometrycznych, ale sprzyja też powstawaniu trwałego szumu plamkowego. Dynamiczna warstwa zmienia relacje fazowe pomiędzy kolejnymi pomiarami, dzięki czemu przypadkowa część obrazu może zostać osłabiona przez uśrednianie.

Autorzy porównali dwie metody składania obrazów. Pierwszą było uśrednianie modułu, wykorzystujące przede wszystkim informację o jasności sygnału. Jest prostsze i mniej wrażliwe na niestabilność interferometru. Drugą metodą było uśrednianie zespolone (uśrednienie pola). Uwzględnia ono zarówno amplitudę, jak i fazę fali świetlnej. Pozwala zachować więcej informacji, ale wymaga dokładnego dopasowania kolejnych pomiarów. Nawet niewielki dryf układu może zaburzyć ich prawidłowe złożenie.

Obie metody ograniczały ziarnistość plamek. Uśrednianie modułu pozostawiało jednak jasne tło, określane w pracy jako stały podkład (pedestal), podnosiło poziom ciemnych obszarów, przez co zmniejszała się różnica między jasnymi i ciemnymi elementami wzorca. Uśrednianie zespolone lepiej usuwało ten składnik. Tło pozostawało ciemniejsze, a drobne elementy były wyraźniej odseparowane. Korzyść wymagała jednak stabilizacji fazy i bardziej zaawansowanego przetwarzania danych.

Co pokazały symulacje?

Pierwszy etap badania obejmował symulacje 100 niezależnych obrazów. Naukowcy analizowali m.in. rozogniskowanie, astygmatyzm oraz statyczne warstwy zniekształcające fazę światła. W pojedynczych obrazach kontrast plamkowy K wynosił od 0,69 do 0,93. Im wyższa ta wartość, tym bardziej ziarnisty obraz. Po uśrednieniu modułu spadała do zakresu 0,06-0,09. Pokazuje to, że przypadkowy wzór plamek został silnie ograniczony.

W przypadku uśredniania zespolonego wartość K dla najsilniejszych zniekształceń mogła być liczbowo nieco wyższa. Nie oznaczało to jednak gorszego obrazu. Tło stawało się znacznie ciemniejsze, a ponieważ K zależy również od średniej jasności analizowanego obszaru, jego wartość mogła wzrosnąć mimo usunięcia stałego podkładu.

Wyraźną różnicę pomiędzy metodami pokazał kontrast Michelsona, opisujący relację między jasnymi i ciemnymi elementami obrazu. Przy silnym rozogniskowaniu i dynamicznej fazie 0,95 rad uśrednianie modułu dawało kontrast około 0,51, a uśrednianie zespolone około 0,74. Po zastosowaniu słabszych zmian fazy wartości wzrosły odpowiednio do około 0,79 i 0,97. Dla astygmatyzmu kontrast wynosił 0,59 po uśrednianiu modułu i 0,76 po uśrednianiu zespolonym. Mechanizm nie był więc ograniczony tylko do jednego rodzaju zniekształcenia.

Model matematyczny pozwolił rozdzielić dwa skutki działania dynamicznego ośrodka rozpraszającego. Zmiany kierunku światła odpowiadają przede wszystkim za rozmycie. Wielkość zmian fazy i liczba łączonych obrazów wpływają natomiast na poziom resztkowego szumu plamkowego oraz kontrast. Dzięki temu kompromis między czystością a ostrością obrazu można przewidzieć jeszcze podczas projektowania urządzenia.

Mleko jako element układu optycznego

Po symulacjach zespół sprawdził metodę w obrazowaniu OCT. Obiektem była standardowa tablica rozdzielczości USAF, zawierająca zestawy coraz drobniejszych linii. Rolę dynamicznego ośrodka rozpraszającego pełniło zwykłe mleko. Jego mikroskopijne składniki są w ciągłym ruchu, dlatego każdy pomiar zawiera nieco inny wzór szumu plamkowego.

System wykorzystywał światło o centralnej długości fali 795 nm. Jego eksperymentalna rozdzielczość poprzeczna wynosiła 4,6 µm. Badacze zarejestrowali 100 trójwymiarowych obrazów (wolumenów). Model wskazywał, że cząstki mleka potrzebują około 0,4 s, aby przemieścić się wystarczająco daleko i wytworzyć nowy wzór plamkowy. W eksperymencie zastosowano jednak znacznie dłuższe, 60-sekundowe odstępy. Był to zachowawczy wybór, który miał zagwarantować pełną niezależność kolejnych obrazów.

Tak długi czas zwiększał ryzyko dryfu interferometru. Przed uśrednianiem zespolonym konieczna była więc dwuetapowa korekcja fazy. Po stabilizacji resztkowe wahania odpowiadały zmianom drogi optycznej o około 25-50 nm.

Dla niezasłoniętej tablicy USAF sam system OCT osiągał kontrast Michelsona 0,87. Po dodaniu dynamicznego ośrodka rozpraszającego kontrast wynosił 0,81 dla uśredniania modułu i 0,84 dla uśredniania zespolonego. W prostych warunkach dynamiczna warstwa nie poprawiła więc obrazu, który już był dobrej jakości. Jej zadaniem jest pomoc przede wszystkim wtedy, gdy na drodze światła znajdują się elementy powodujące dodatkowe zniekształcenia.

Za ograniczenie zakłóceń trzeba zapłacić utratą części ostrości. Miara szerokości krawędzi wzrosła z 4,6 µm w samym OCT do około 7,7 µm po uśrednianiu modułu i 7,5 µm po uśrednianiu zespolonym. Nie jest to nieprzewidziana wada, lecz główny kompromis metody. Dynamiczne rozpraszanie ogranicza plamki i wrażliwość na część zniekształceń, ale wprowadza przewidywalne rozmycie. Model opracowany przez autorów pozwala oszacować ten koszt i dobrać parametry do konkretnego zastosowania.

Najtrudniejszy test: obraz pod tkanką

Najważniejsza część eksperymentu dotyczyła sytuacji, w których światło napotykało przeszkodę.

Najpierw tablicę USAF przykryto przezroczystą taśmą klejącą, która działała jak nieregularna warstwa zniekształcająca falę świetlną. Bez dynamicznego ośrodka rozpraszającego obraz zawierał silne, ziarniste artefakty. Następnie do układu wprowadzono mleko pełniące funkcję dynamicznego ośrodka rozpraszającego. Badacze zarejestrowali z jego udziałem 100 obrazów, a następnie je uśrednili. Dzięki temu linie wzorca stały się znacznie czytelniejsze, bez konieczności mierzenia i korygowania każdego zniekształcenia osobno.

Następnie nad tablicą umieszczono skrawek mózgu myszy o grubości 250 µm. Tkanka silnie rozpraszała i osłabiała światło. W obrazie wykonanym samym OCT wzorzec był w dużym stopniu zasłonięty przez plamki oraz zniekształcenia.

Po zanurzeniu próbki w dynamicznym ośrodku i połączeniu 100 wolumenów elementy tablicy ponownie stawały się widoczne. Obraz miał niższą rozdzielczość i słabszy sygnał niż wzorzec oglądany bezpośrednio, ale doświadczenie potwierdziło działanie metody pod prawdziwą tkanką, a nie tylko w symulacji.

"W obrazowaniu biologicznym jest to szczególnie interesujące, ponieważ rzeczywista tkanka nigdy nie jest idealnym układem optycznym. Jeśli uda nam się zmniejszyć wrażliwość obrazowania na zniekształcenia wprowadzane przez samą tkankę, być może będziemy mogli zobaczyć struktury, które w przeciwnym razie byłyby znacznie trudniejsze do rozróżnienia" - powiedziała Klaudia Nowacka-Pieszak.

Co z tego wynika?

Na obecnym etapie jest to laboratoryjny dowód koncepcji. Badanie dotyczyło nieruchomych obiektów i tkanki ex vivo. Nie obejmowało pacjentów ani obrazowania żywego oka. Nie można więc jeszcze powiedzieć, że metoda poprawi wykrywanie konkretnej choroby.

Jej potencjał jest jednak duży. W przyszłości metoda mogłaby pomóc w budowie bardziej odpornych systemów OCT. Ma to szczególne znaczenie w okulistyce, gdzie na jakość obrazu wpływają właściwości rogówki, soczewki i ciała szklistego. Mechanizm może znaleźć zastosowanie również w mikroskopii biologicznej, holografii cyfrowej i innych technikach wykorzystujących spójne światło.

Dynamiczny ośrodek rozpraszający nie koryguje osobno każdego zniekształcenia. Sprawia natomiast, że ich wpływ zmienia się pomiędzy pomiarami i może zostać osłabiony przez uśrednianie. W przyszłości dynamiczny ośrodek mógłby zostać zamknięty w niewielkiej komorze z kontrolowanym przepływem albo zintegrowany z obiektywem mikroskopu.

Takie rozwiązanie nie wymagałoby przestrzennego modulatora światła, lustra deformowalnego ani osobnego czujnika czoła fali. Nie oznacza to jeszcze, że gotowe urządzenie będzie tańsze. Wyniki wskazują jednak drogę do bardziej kompaktowych konstrukcji z mniejszą liczbą aktywnych elementów.

"W dłuższej perspektywie mamy nadzieję, że to podejście będzie inspiracją dla nowych konstrukcji optycznych, w których rozpraszanie nie jest po prostu czymś, co należy usunąć, lecz czymś, co można celowo kontrolować i wykorzystywać do zwiększania odporności obrazowania" - wyjaśniła Klaudia Nowacka-Pieszak.

Do obrazowania żywej tkanki jeszcze daleko

Metoda ma wyraźne granice. Nie odzyska informacji, która została całkowicie utracona. Według modelu autorów uśrednianie przestaje pomagać, gdy zniekształcenia są tak silne, że w pojedynczych obrazach nie pozostaje czytelny sygnał obiektu.

Uśrednianie zespolone wymaga również stabilnej fazy. Zbyt silna korekcja może usunąć nie tylko zakłócenia, ale także część użytecznego sygnału. Wtedy jego przewaga nad prostszym uśrednianiem modułu maleje.

Największym problemem przed zastosowaniem metody in vivo jest szybkość. W doświadczeniu kolejne wolumeny rejestrowano w odstępach 60 s. Taki protokół sprawdza się w laboratorium, lecz nie nadaje się do obrazowania poruszającego się oka ani innej żywej tkanki. Przyszłe urządzenie będzie potrzebowało znacznie szybszego ośrodka dynamicznego i krótszego czasu rejestracji.

"Model matematyczny był dla nas równie ważny jak sam eksperyment. Pokazał, że ograniczenie szumu plamkowego ma konkretną cenę w postaci częściowego rozmycia obrazu, ale pozwolił również tę cenę przewidzieć. Dzięki temu parametry układu można dobierać świadomie, zależnie od tego, czy w danym zastosowaniu ważniejsza jest ostrość, kontrast czy odporność na zakłócenia" - powiedział dr inż. Piotr Kasprzycki, współautor publikacji.

Najważniejszy wniosek z badania jest jednak prosty: nie zawsze trzeba otrzymać jeden idealny obraz. Można zebrać wiele pomiarów, z których każdy jest zakłócony w inny sposób, a następnie wykorzystać ich różnice do ograniczenia szumu. Rozpraszanie nadal niszczy obraz, jeśli jest zbyt silne i niekontrolowane. Gdy jednak można nim sterować, przestaje być wyłącznie problemem i staje się częścią rozwiązania.

---

Źródło: Klaudia Nowacka-Pieszak, Piotr Kasprzycki, Patricio Espinoza Guevara, Karol Karnowski, Dawid Borycki (2026). Reducing spatial coherence via dynamic scattering media enables aberration and speckle suppression in optical imaging. Scientific Reports.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-60563-1