Máy ảnh đơn photon mở ra cơ hội cho lĩnh vực hình ảnh y sinh

Một nhóm nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở Boulder, Colorado, đã tạo ra một máy ảnh đơn photon 0,4 mega điểm ảnh lớn gấp 400 lần so với máy ảnh lớn nhất trước đây cùng loại.

Máy ảnh đơn photon được làm bằng dây nano siêu dẫn, đo ánh sáng với độ nhạy và tốc độ vô song, cũng như trên một dải tần số vô song. Với bước nhảy vọt về kích thước, máy ảnh đơn photon sẵn sàng chuyển đổi từ sự tò mò trong phòng thí nghiệm sang công nghệ công nghiệp. Những máy ảnh như vậy có thể ứng dụng trong việc đo ánh sáng trong máy tính lượng tử và thông tin liên lạc, đồng thời nhìn vào não bằng các kỹ thuật dựa trên ánh sáng không xâm lấn.

Sự cải tiến kích thước đáng kể này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng, đặc biệt là trong lĩnh vực hình ảnh y sinh. Ví dụ, các nhà khoa học như Carp và Roarke Horstmeyer, trợ lý giáo sư về hình ảnh y sinh tại Đại học Duke, đang phát triển các kỹ thuật để chụp ảnh bộ não bằng cách chiếu ánh sáng vào nó và phát hiện lượng ánh sáng cực nhỏ tán xạ ra ngoài. “Tầm nhìn hoàn hảo là tạo ra một máy MRI di động,” Horstmeyer giải thích.

Để chiếu ánh sáng vào mô cơ thể người, tần số cận hồng ngoại là lý tưởng. Chúng có thể thâm nhập sâu hơn vào mô và ít phá huỷ hơn, cho phép đạt được cường độ cao hơn. Các máy dò dựa trên silicon bán sẵn trên thị trường không hoạt động tốt ở các tần số này. Horstmeyer nói: “Công nghệ dây nano này thực sự rất phù hợp với ánh sáng được sử dụng tốt nhất trong các thiết bị quang sinh học. Có một thiết bị lớn loại này mở ra những khả năng như chụp ảnh toàn bộ não trong thời gian thực.

Stefan Carp – phó giáo sư về X quang tại Trường Y Harvard cho biết: “Từ góc độ khoa học, điều này chắc chắn sẽ mở ra một con đường mới trong việc chụp ảnh não quang học.”

Các cảm biến dây nano siêu dẫn có thể thu được hầu hết mọi photon, hoạt động ở các tần số, tia tử ngoại và hồng ngoại, đồng thời đưa ra kết quả chỉ trong vài pico giây để phát hiện ở tốc độ khung hình cao. Độ nhạy của cảm biến bắt nguồn từ thực tế là dòng điện đủ cao chạy qua chất siêu dẫn sẽ phá hủy các đặc tính siêu dẫn của nó. Mỗi điểm ảnh của máy ảnh là một dây siêu dẫn với dòng điện được đặt ngay dưới ngưỡng, do đó, một photon đơn lẻ va chạm với dây sẽ phá vỡ tính siêu dẫn của nó. Sự phá vỡ này dẫn đến điện trở trên dây tăng lên, có thể được phát hiện gần như ngay lập tức.

Bí quyết mở rộng quy mô máy ảnh đơn photon

Hiệu suất của một điểm ảnh đơn lẻ là xuất sắc, nhưng việc đặt nhiều điểm ảnh gần nhau trên một vi mạch duy nhất đã là một thách thức lâu dài. Để đạt được tính siêu dẫn, thiết bị phải được làm mát đến nhiệt độ đông lạnh và việc kết nối nhiều điểm ảnh vào hệ thống làm mát là điều cấm kỵ

Để khắc phục những khó khăn này, nhóm đã lấy cảm hứng từ các công nghệ cảm biến khác. Họ áp dụng khái niệm của một đường dẫn đọc chung, tức là thu thập thông tin từ một hàng hoặc cột điểm ảnh cùng một lúc. Tuy nhiên, việc thực hiện trực tiếp của đường dẫn này đã gây ra sự giao tiếp chéo giữa các điểm ảnh, làm giảm đi độ nhạy của thiết bị.

Giải pháp nằm ở việc tạo ra một sơ đồ không đối xứng, trong đó tín hiệu từ một cảm biến có thể được chuyển đến đường dẫn đọc, nhưng không ngược lại. Để thực hiện điều này, nhóm đã thiết kế một bước trung gian kề cận mỗi điểm ảnh cảm biến. Trong bước này, họ tích hợp một bộ phận làm nóng được kết nối song song với dây nano siêu dẫn. Khi một photon đập vào dây nano sẽ phá vỡ tính siêu dẫn và làm lệch dòng điện đi vào phần tử gia nhiệt. Sau đó, bộ phận làm nóng sẽ nóng lên một cách tự nhiên và lần lượt phá vỡ tính siêu dẫn cục bộ trên đường dẫn đọc, cũng được làm bằng dây siêu dẫn. Quá trình này sẽ không làm ảnh hưởng tới các bộ phận làm nóng liền kề, tạo ra sự kết hợp không đối xứng mong muốn.

Nhóm nghiên cứu tại Boulder hiện đang làm việc chặt chẽ với một số nhóm hình ảnh sinh học để điều chỉnh thiết bị theo nhu cầu cụ thể của họ, chẳng hạn như cải thiện độ nhạy về thời gian. Các nhà nghiên cứu tin rằng những cải tiến này hoàn toàn có thể đạt được.

Cường Việt (theo ispectrum)