Στο ΙΤΕ ακούνε τον ήχο του φωτός…

.. με τη βοήθεια του εργαστηρίου βιοφωτονικής και μοριακής απεικόνισης

3,077

Είναι δυνατόν να… ακούμε το φως; Επιστήμονες του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας όχι απλώς έχουν καταφέρει να… τετραγωνίσουν τον κύκλο αλλά μέσω αυτού του επιτεύγματος, συνεισφέρουν στη βιοϊατρική έρευνα και βάζουν το δικό τους λιθαράκι στη διατήρηση της πολιτιστικής μας κληρονομιάς!

Για όλα όσα συμβαίνουν στο εργαστήριο «Βιοφωτονικής και μοριακής απεικόνισης» του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ μιλά στην «Π» ο μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο και διδάσκων στο Τμήμα Βιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης, Δρ. Γιώργος Τσερεβελάκης.

Ο… ήχος του φωτός

Οι καινοτόμες τεχνολογίες φωτοακουστικής διάγνωσης παρουσιάζουν μια αλματώδη άνοδο κατά την τελευταία δεκαετία, λόγω των μοναδικών δυνατοτήτων που παρέχουν, ως αποτέλεσμα του συνδυασμού της οπτικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από πηγές λέιζερ και των ακουστικών κυμάτων.

Παρόλο που οι αισθήσεις μας είναι εξειδικευμένες ώστε να βλέπουν το φως και να ακούνε τους ήχους, στο πλαίσιο των φωτοακουστικών τεχνικών ακούμε στην κυριολεξία το φως, έπειτα από την απορρόφησή του από διάφορα υλικά μέσα. Ειδικότερα, η έντονη απορρόφηση παλμικού φωτός θερμαίνει τοπικά το αντικείμενο, με αποτέλεσμα να αυξάνεται ελαφρώς ο όγκος του, ασκώντας πίεση στα μόρια του περιβάλλοντος χώρου, γεγονός που οδηγεί στο σχηματισμό και τη διάδοση υπερηχητικών κυμάτων τα οποία καταγράφονται μέσω ειδικών ανιχνευτών, όπως και σε μία συμβατική κλινική υπερηχογραφική εξέταση.

Ο Δρ. Γ. Τσερεβελάκης εξηγεί ότι «εξετάζοντας το αντικείμενο του ενδιαφέροντός μας σημείο προς σημείο και καταγράφοντας πόσο ισχυρά είναι τα κύματα που δημιουργήθηκαν κάθε φορά, είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε με ακρίβεια τις περιοχές έντονης απορρόφησης του φωτός. Με τον τρόπο αυτό, λαμβάνουμε εικόνες βαθιά μέσα σε αδιαφανή υλικά, λόγω του ότι τα υπερηχητικά κύματα μεταφέρουν την οπτική πληροφορία με ελάχιστη εξασθένηση σε σχέση με το φως, διατηρώντας παράλληλα έναν υψηλό βαθμό απεικονιστικής λεπτομέρειας. Η ιδιότητα αυτή αποτελεί το βασικότερο συγκριτικό πλεονέκτημα της φωτοακουστικής διαγνωστικής τεχνολογίας έναντι των απλών οπτικών μικροσκοπίων ή του γνωστού σε όλους μας υπερηχογραφήματος.»

Το φωτοακουστικό φαινόμενο που αξιοποιεί το εργαστήριο «Βιοφωτονικής και μοριακής απεικόνισης» του ΙΗΔΛ/ΙΤΕ με επικεφαλής τον Δρ. Γιάννη Ζαχαράκη, δεν αποτελεί από μόνο του κάτι καινούριο, εφόσον η πρώτη ιστορικά καταγραφή του χρονολογείται πίσω στο 1880 από τον εφευρέτη του τηλεφώνου Alexander Graham Bell. Αξίζει να σημειωθεί πως η ανακάλυψη του φαινομένου έγινε εντελώς τυχαία, με τα φωτοακουστικά κύματα να προκύπτουν ως παρασιτικός θόρυβος σε ένα σύστημα ασύρματης μετάδοσης φωνής (ένα πρωτόγονο κινητό τηλέφωνο δηλαδή) που ονομαζόταν φωτόφωνο και λειτουργούσε με τη χρήση ακτίνων ηλιακού φωτός.

Το φωτοακουστικό φαινόμενο παρέμεινε ξεχασμένο για κάτι λιγότερο από έναν ολόκληρο αιώνα, προτού ανακαλυφθεί ξανά από τους επιστήμονες κατά τη δεκαετία του 70, έπειτα από την έλευση των λέιζερ και των σύγχρονων ανιχνευτών υπερήχων. Το εργαστήριο του ΙΤΕ πρωτοστάτησε στην ανάπτυξη και εφαρμογή της σημαντικής αυτής τεχνολογίας στην Ελλάδα, με το πρώτο φωτοακουστικό σύστημα διάγνωσης να κατασκευάζεται και να λειτουργεί στις εγκαταστάσεις του ΙΗΔΛ/ΙΤΕ στα μέσα του 2015.

Λέπι ψαριού όπως απεικονίζεται με οπτική τεχνική (γκρι), φωτοακουστική τεχνική (κόκκινο) και το συνδυασμό  των δύο τεχνικών.
Λέπι ψαριού όπως απεικονίζεται με οπτική τεχνική (γκρι), φωτοακουστική τεχνική (κόκκινο) και το συνδυασμό
των δύο τεχνικών.

Πέραν τούτου, η ομάδα του εργαστηρίου, σε συνεργασία με την ομάδα «Έφαρμογών φωτονικής στην πολιτιστική κληρονομιά» του ΙΗΔΛ/ΙΤΕ, ήταν η πρώτη σε παγκόσμιο επίπεδο που εφάρμοσε τις φωτοακουστικές τεχνικές απεικόνισης στον τομέα της διάγνωσης έργων πολιτιστικής κληρονομιάς, όπως οι πίνακες ζωγραφικής, τα έγγραφα ιστορικής αξίας και οι τοιχογραφίες, με πρωτότυπα αποτελέσματα, τα οποία δημοσιεύθηκαν πολλές φορές σε διεθνή έγκριτα επιστημονικά περιοδικά υψηλού κύρους κατά τα προηγούμενα χρόνια.

Οι δραστηριότητες του εργαστηρίου, όσον αφορά στην εφαρμογή των καινοτόμων φωτοακουστικών τεχνολογιών, μπορούν να διακριθούν σε τρεις βασικούς τομείς: α) τη βιοϊατρική απεικόνιση, β) τη διάγνωση έργων πολιτιστικής κληρονομιάς και γ) τον ακουστικό χαρακτηρισμό υλικών. Είναι πραγματικά εκπληκτικό το γεγονός πως η αξιοποίηση ενός τόσο απλού φυσικού φαινομένου μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά σε εντελώς διαφορετικά πεδία έρευνας, μεταβάλλοντας το τοπίο της επιστημονικής γνώσης και ανοίγοντας παράλληλα το δρόμο για καινοτόμες τεχνολογικές προσεγγίσεις σε πραγματικά προβλήματα της καθημερινής ζωής.

Ειδικότερα, σε πρόσφατη έρευνα (Tserevelakis et al., Sci. Rep., 2022) σε συνεργασία με το «Εργαστήριο Φυσιολογίας Ιχθύων» του Τμήματος Βιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης (επικεφαλής: Καθ. Μιχάλης Παυλίδης), οι ερευνητές κατάφεραν να καταγράψουν τους υπερήχους που παράγονται από τα μελανοφόρα κύτταρα σε λέπια ψαριών έπειτα από την ακτινοβόλησή τους, λαμβάνοντας εικόνες υψηλής ακρίβειας, οι οποίες μέσω σχετικής επεξεργασίας παρέχουν ένα μέτρο της συγκέντρωσης της μελανίνης στο εξεταζόμενο ψάρι.

«Επιπροσθέτως, «ακούγοντας» το χρώμα του ψαριού, μπορούμε δυνητικά να βγάλουμε συμπεράσματα αναφορικά με την έκθεση του οργανισμού στην υπεριώδη ακτινοβολία, το μέσο βάθος στο οποίο ζει, τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, αλλά και να έχουμε χαρακτηριστικές ενδείξεις σχετικά με την υγεία και την ευζωία του», εξηγούν.

Στην κατεύθυνση αυτή, επιστρατεύουν έξυπνους εξειδικευμένους αλγορίθμους μηχανικής μάθησης, σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Θεωρητικής και Υπολογιστικής Φυσικής του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης (επικεφαλής: Καθ. Γιώργος Τσιρώνης), ώστε να εκπαιδεύσουν τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές να αναγνωρίζουν το είδος ενός ψαριού ή να αξιολογούν τις συνθήκες μέσα στις οποίες ζει με μεγάλη ακρίβεια και ταχύτητα από ένα και μόνο λέπι του. «Θεωρούμε πως η μεθοδολογία που αναπτύξαμε θα μπορούσε να βρει μελλοντικά άμεσες εφαρμογές σε ιχθυοτροφεία για την αξιολόγηση της ευζωίας των εκτρεφόμενων ψαριών αλλά και στη μελέτη των συνεπειών της κλιματικής αλλαγής σε διάφορα υδάτινα οικοσυστήματα», τονίζουν.

Στον τομέα της διάγνωσης έργων πολιτιστικής κληρονομιάς, ανέπτυξαν πρόσφατα μια βελτιστοποιημένη φωτοακουστική απεικονιστική διάταξη για την αποκάλυψη καλά κρυμμένων χαρακτηριστικών σε τοιχογραφίες (Tserevelakis et al., J. Imaging, 2021). Είναι ευρέως γνωστό πως πλήθος από ιστορικές τοιχογραφίες παραμένουν εν μέρει ή πλήρως καλυμμένες από διάφορα αδιαφανή στρώματα, γεγονός το οποίο δεν επιτρέπει τη διάκρισή τους.

Τέτοιες περιπτώσεις συχνά αποτελούν προκλήσεις για τους σχετικούς επιστήμονες, για την επαρκή αντιμετώπιση των οποίων απαιτείται η ανάπτυξη νέων αξιόπιστων μη επεμβατικών εργαλείων διάγνωσης, που θα έχουν τη δυνατότητα ανάκτησης μη ορατών πληροφοριών που βρίσκονται πίσω από τα υπερκείμενα στρώματα (π.χ. μπογιά ή ασβέστης).

Στην πρώτη εικόνα παρουσιάζεται ένα δείγμα τοιχογραφίας καλυμμένο με μπογιά, ενώ στη δεύτερη βλέπουμε την αποκάλυψη του κρυμμένου σχεδίου μέσω της φωτοακουστικής τεχνικής. Το σχέδιο πριν την επικάλυψη με τη μπογιά φαίνεται στην τρίτη εικόνα.
Στην πρώτη εικόνα παρουσιάζεται ένα δείγμα τοιχογραφίας καλυμμένο με μπογιά, ενώ στη δεύτερη βλέπουμε την αποκάλυψη του κρυμμένου σχεδίου μέσω της φωτοακουστικής τεχνικής. Το σχέδιο πριν την επικάλυψη με τη μπογιά φαίνεται στην τρίτη εικόνα.

«Μέσω των φωτοακουστικών τεχνολογιών ακτινοβολούμε δείγματα προσομοίωσης με παλμική υπέρυθρη ακτινοβολία, η οποία διεισδύει και απορροφάται επιλεκτικά από την κρυμμένη τοιχογραφία που επιθυμούμε να αποκαλύψουμε. Έπειτα, μέσω του φωτοακουστικού φαινομένου παράγονται υπέρηχοι, που διαπερνούν εύκολα τα υπερκείμενα στρώματα που κρύβουν την τοιχογραφία, ώστε να ανιχνευτούν για το σχηματισμό ευκρινών εικόνων», περιγράφει.

Επίσης, στον τομέα του ακουστικού χαρακτηρισμού υλικών, αναπτύσσουν καινοτόμες συσκευές που μπορούν να μετρήσουν την ταχύτητα του ήχου σε διάφορα υγρά ή μαλακά μέσα, με πολύ υψηλή ακρίβεια (Tserevelakis et al., Opt. Express, 2022). Για να το πετύχουν αυτό, «αναβοσβήνουν» τη δέσμη ενός λέιζερ 20 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο και την εστιάζουν σε ένα λεπτό πλαστικό στρώμα το οποίο απορροφά έντονα το φως, με σκοπό την παραγωγή υπερήχων. «Το υπερηχητικό κύμα διαδίδεται μέσα από το υλικό που θέλουμε να μετρήσουμε, κατανέμοντας τελικά την ενέργεια που μεταφέρει στην επιφάνεια ενός ανιχνευτή.

Ωστόσο, καθώς απομακρύνουμε τον ανιχνευτή από το σημείο ακτινοβόλησης, η κατανομή της ενέργειας στην επιφάνειά του μεταβάλλεται, με αποτέλεσμα το σήμα που καταγράφουμε να παρουσιάζει μια ταλάντωση, τα χαρακτηριστικά της οποίας παρέχουν την ταχύτητα του κύματος μέσα στο υλικό. Η τεχνική που προτείνουμε είναι αξιόπιστη, οικονομική, γρήγορη και δυνητικά φορητή, γεγονός το οποίο την καθιστά ιδιαίτερα ελκυστική για μελλοντική εμπορική εκμετάλλευση.

Οι δυνατότητες της διάταξής μας θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την αξιολόγηση της ποιότητας τροφίμων ή καυσίμων, την ανίχνευση ενδεχόμενης νοθείας, αλλά και την παρουσία επικίνδυνων ουσιών, εφόσον γνωρίζουμε πως οι παραπάνω παράγοντες μπορούν να αλλάξουν σημαντικά την ταχύτητα του ήχου σε διάφορα υλικά», εξηγεί ο ερευνητής. Επίσης, στον τομέα της βιοϊατρικής έρευνας η τεχνική αυτή θα μπορούσε να προσφέρει συμπληρωματική διαγνωστική πληροφορία στην κλασσική υπερηχογραφία (π.χ. αναφορικά με τη αξιόπιστη ανίχνευση και διαφοροποίηση καρκινικών όγκων), αλλά και να βελτιώσει την ακρίβεια των συμβατικών υπερηχογραφημάτων που χρησιμοποιούνται στην κλινική πράξη.

Ο Δρ. Γ. Τσερεβελάκης τονίζει ότι «η σημαντική γνώση που έχει παραχθεί τα τελευταία χρόνια πάνω στις φωτοακουστικές τεχνικές διάγνωσης μεταφέρεται ήδη στις επόμενες γενιές επιστημόνων που σπουδάζουν αυτή τη στιγμή Φυσική, Χημεία ή Βιολογία στο Πανεπιστήμιο Κρήτης, μέσω των ευκαιριών που δίνονται να εργαστούν στις εγκαταστάσεις του ΙΗΔΛ/ΙΤΕ, αλλά και με τη συγκρότηση νέων, σύγχρονων πανεπιστημιακών μαθημάτων που καλύπτουν τις τελευταίες εξελίξεις στον τομέα της απεικόνισης. Ευελπιστούμε πως οι ενέργειες αυτές θα συνεισφέρουν στην περαιτέρω ενίσχυση της ερευνητικής δραστηριότητας στον τόπο μας, με πολλαπλά οφέλη τόσο στην οικονομία όσο και στην κοινωνία.»

Μπορεί επίσης να σας αρέσει