فصلنامه لیزر در پزشکی
سال نوزدهم شماره 2 (پیاپی 84، تابستان 1401)

از دستگاه ارتعاش سنج لیزری مبتنی بر اثر دوپلر در حوزه اندازه گیری اپتیکی دامنه، فرکانس و سرعت اشیای دارای ارتعاش استفاده می شود. مزیت مهم این دستگاه این است که بدون تماس و حتی با استفاده از چیدمان آزمایشگاهی تداخل سنج مایکلسون می تواند ارتعاشات اجسام متحرک را اندازه گیری کند. در این دستگاه، فرکانس و دامنه ارتعاش، از جابجایی دوپلر فرکانس نور لیزر به دست می آید. از طرفی همه ی سلول ها، ارگان ها و بافت های بدن انسان و تمام موجودات زنده ی دیگر و حتی میکروارگانیسم ها ارتعاشات معینی را دارا می باشند و از آنجا که ارتعاشات دارای فرکانس مشخصی هستند، بنابراین ارتعاشات سلول های بدن ما نیز دارای طول موج خاصی هستند که با این چیدمان قابل اندازه گیری هستند.

در این تحقیق، با استفاده از دستگاه ارتعاش سنج لیزری مبتنی بر اثر دوپلربه عملکرد نبض دست و پای انسان پرداخته شده است. در ابتدا، چیدمان آزمایشگاهی این دستگاه طراحی شد و بعد به صورت دستگاهی پک شده به اندازه گیری ارتعاشات پرداخته شد.

یافته ها:

 نتایج حاصل از این مطالعه نشان داده است که نبض دست و پای انسان در فرکانس مشخصی دارای ارتعاش می باشند که قابل اندازه گیری هستند.

نتیجه گیری: 

به منظور برآورد عملکرد نبض انسان، میزان ارتعاشات آن توسط دستگاه ارتعاش سنج لیزری دوپلری اندازه گیری شده است. نتایج نشان دادند که محدوده فرکانسی ارتعاش نبض انسان حدود 2 هرتز می باشد که می توان این روش را به عنوان یکی از بهترین تکنیک های جایگزین نسبت به سایر روش های متداول توام با عوارض جانبی معرفی نمود. همچنین، از این تکنیک می توان به منظور اندازه گیری ضربان قلب، تنفس و سایر اعضای بدن استفاده کرد.

سیپروفلوکساسین (Ciprofloxacin (CIP)) یک آنتی بیوتیک نسل سوم فلوروکینولون بسیار فعال با طیف گسترده ای از فعالیت ضد باکتریایی است که برای کاربردهای مربوط به پزشکی انسانی و هم دامپزشکی تولید و مصرف می شود. مقدار زیادی از CIP از طریق ادرار دفع می شود، به همین دلیل از طریق فاضلاب شهری، صنایع داروسازی، فعالیت های دامداری و فاضلاب کشاورزی وارد محیط زیست می شود و اثرات مخربی را به همراه دارد. بنابراین، تشخیص سریع و دقیق داروی CIP در بسیاری از زمینه ها مخصوصا برای سلامتی انسان بسیار مهم است. 

برای شناسایی داروی CIP جهت کنترل بیماری های ناشی از آن از زیرلایه های کاغذی فیلتری پوشش داده شده با نانوذرات نقره به عنوان حسگر زیستی طیف سنجی رامان بهبود یافته ی سطحی (SERS) استفاده شد. ابتدا نانوذرات نقره با استفاده از روش شیمیایی تولنز تهیه شدند و سپس به روش غوطه وری بروی زیرلایه های کاغذی فیلتری پوشش داده شدند تا بسترهای فعال انعطاف پذیر پلاسمونیکی مبتنی بر کاغذهای فیلتری به عنوان حسگر زیستی  SERS، در جهت شناسایی ارتعاشات مولکولی داروی CIP ساخته شوند. از آنالیزهای طیف سنجی فرابنفش مریی (UV-Vis)، پراش اشعه ایکس (XRD)، تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) ، تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (FE-SEM) و پراکندگی دینامیکی نور  (DLS)، مشخصه های نانوذرات نقره ساخته شده بررسی شدند.

حد تشخیص بسترهای پلاسمونیکی SERS، برای شناسایی داروی CIP 7-10 مولار به دست آمد. میانگین انحراف استاندارد نسبی (RSD) ، برای شش اندازه گیری مکرر 38/4 درصد محاسبه شد. با کاهش غلظت محلول به 7-10مولار، شدت مدهای رامان بسیار کاهش یافت به نحوی که تنها برخی قله ها مشخص هستند. فاکتور بهبود بستر انعطاف پذیر پلاسمونیکی فعال SERS برای شناسایی ارتعاشات مولکولی داروی CIP به صورت تجربی107*460/1 محاسبه گردید.

نتایج رامان بدست آمده نشان می دهد که بسترهای پلاسمونیکی فعال SERS تهیه شده از نانوذرات نقره برای تشخیص داروی CIP با روش های توسعه یافته نتایج امیدوارکننده ای را برای مطالعات مبتنی بر SERS نشان می دهد و می-تواند منجر به توسعه حسگرهای نانویی می شوند. همچنین بسترهای پلاسمونیکی فعال SERS، قابلیت بازیافت، تکرارپذیری و پایداری شیمیایی قابل توجهی را دارا هستند. در نتیجه، نانوذرات نقره را می توان به عنوان یک بستر بالقوه SERS برای تشخیص داروی CIP در غلظت بسیار کم استفاده کرد.

تصویربرداری پخش نوری یک تکنیک تصویربرداری غیرتهاجمی و غیرمخرب است که از امواج الکترومغناطیسی در محدوده ی طول موجی فروسرخ نزدیک برای اندازه گیری ویژگی های اپتیکی بافت زیستی نظیر جذب و پراکندگی از مرزهای محیط استفاده می کند. عواملی چون پراکندگی بسیار زیاد نور در بافت های زیستی و تعداد محدود اندازه گیری ها سبب شده مسیله ی بازسازی تصویر در این تکنیک چالش برانگیز شود. اخیرا شبکه های عصبی ژرف به حوزه بازسازی تصویر وارد شده اند و توانسته اند عملکرد بسیار خوبی از خود نشان دهند. در این پژوهش، روشی جدید برپایه ی یادگیری ژرف برای حل این مسیله ارایه شده است.

برای پیاده سازی این روش با استفاده از شبیه سازی رایانه ای، بافت هایی مکعبی شکل با ابعاد 64×64×64 mm3  با تومورهایی در عمق 21 تا 42 میلی متری ایجاد گردید. برای اندازه گیری از مرز بافت، شبکه ای 5×5  از منابع و آشکارسازها در طرفین بافت تعبیه کردیم. برای انجام عمل بازسازی، دو شبکه عصبی ژرف با معماری کاملا متصل و کانوولوشنی دوبعدی ایجاد نمودیم.

یافته ها:

 برای سنجش کارایی این الگوریتم ها، عملکرد آن ها را با یکی از روش های کلاسیک برپایه ی مدل یعنی روش گرادیان مزدوج مقایسه کردیم. برای مقایسه ی این روش ها از معیارهایی چون میانگین خطای مطلق (MAE)، خطای حداقل مربعات (MSE)، بیشینه سیگنال به نویز  (PSNR) و شاخص شباهت ساختاری  (SSIM) استفاده شد. نتایج به دست آمده نشان داد که   MSEبه صورت میانگین 86 درصد و MAE تا 81 درصد کاهش داشته و PSNR  2 برابر افزایش یافته است.

نتیجه گیری: 

نتایج این پژوهش نشان داد که استفاده از شبکه های مصنوعی ژرف در مقایسه با روش های بازسازی کلاسیک جهت یازسازی تصاویر پخش نوری می تواند موجب بهبود کیفیت تصاویر به دست آمده شود.

تکنولوژی نوظهور اشعه ایکس مبتنی بر لیزر به مرور از فاز تحقیقاتی و آزمایشگاهی عبور کرده و در حال تبدیل شدن به عنوان یک عنصر حیاتی در بسیاری از کاربردهای مهم زندگی بخصوص کاربردهای پزشکی می باشد. با توجه به گسترش یافتن کاربردهای این تکنولوژی، مواردی همچون دسترس پذیری منابع تولید لیزر و همچنین پیدایش روش های جایگزین جهت تسهیل در تولید این پدیده اهمیت بسیاری یافته است. تنوع در چشمه های تولید اشعه ایکس مبتنی بر لیزر منجر به تولید اشعه ایکس با ویژگی های گسترده ای شده است. تغییر در طول موج و یا سطح انرژی اشعه ایکس کاربردهای متنوعی را ممکن ساخته است. در این مقاله سعی شده است تا در کنار مروری بر فناوری های مختلف تولید چشمه های اشعه ایکس مبتنی بر لیزر، کاربردهای بروز و مهم این تکنولوژی در فعالیت های پزشکی بررسی شود. در این تحقیق، تعداد قابل توجهی از منابع (بیش از 170 مقاله پژوهشی، مروری و کتاب) مرتبط با فعالیت های صورت گرفته و در حال انجام برای بکارگیری این فناوری در علم پزشکی مرور شده اند تا چشم انداز روشنی از اهمیت توجه به چشمه های اشعه ایکس مبتنی بر لیزر برای خوانندگان حوزه های مرتبط مانند مهندسان پرتوپزشکی، متخصصین فیزیک پزشکی، متخصصین فیزیک پرتویی و مهندسان اپتیک و لیزر فراهم گردد.

در رامان اسپکتروسکوپی ماده به وسیله لیزر تحریک می شود و نور پراکنده از آن که حاوی اطلاعاتی از ترازهای ارتعاشی ماده است و مشابه اثر انگشت برای ماده ست، آشکارسازی می شود. از آن جا که نور در ماده جذب نمی شود، رامان یک روش با حداقل تاثیر در ماده ست به همین دلیل در بافت و سلول های زنده کاربرد فراوانی دارد. هدف از این مطالعه، معرفی رامان اسپکتروسکوپی و مقایسه روش های مختلف رامان از نظر کاربرد در پزشکی است. در پایان، چندین مطالعه جهت تشخیص ویروس های مختلف از جمله ویروس های مشابه کووید19 با استفاده از رامان اسپکتروسکوپی فهرست شده است. برای یافتن مقالات مورد استفاده در این تحقیق از مجله Raman Spectroscopy و سایت هایgoogle scholar و ACS استفاده شد. به دلیل حسایت پایین رامان خودبخودی، روش های تقویت شده مثل رامان القایی، CARS، SERS و رامان تشدیدی در پزشکی، بیشتر کاربرد دارند. SERS به دلیل نیاز به استفاده از نانوساختار جهت تقویت، در مطالعه سلول ها و در آزمایشگاه بیشتر مطالعه شده است. رامان القایی و CARS قادر به تصویربرداری زنده و در محل از موجودات زنده هستند. با ترکیب رامان با روش های چندمتغیره می توان حتی نمونه های مشابه را تفکیک کرد. رامان اسپکتروسکوپی، قادر به تهیه تصویر و فیلم های با رزولوشن بالا از اندرکنش دارو با بافت زنده است. اخیرا، از طریق ترکیب با روش های آماری کاربرد گسترده ای در تشخیص ویروس های مختلف پیدا کرده است.