De bidsprinkhaankreeft is vooral bekend om zijn kogelachtige stoot, die zowel supersterke composietmaterialen voor toekomstige kogelvrije vesten heeft geïnspireerd als een virale webstrip over de nieuwsgierige schaaldier. Maar het blijkt dat de ogen van het dier net zo interessant zijn als zijn klauwen.
gerelateerde inhoud
- Medische maretak: kan de vakantieplant echt kanker bestrijden?
Een groep onderzoekers heeft gewerkt aan een manier om de samengestelde ogen en de gepolariseerde visie van de mantisgarnaal te modelleren om een camera te maken die verschillende vormen van kanker kan detecteren. Ze hebben nu een proof-of-concept camerasensor die kleiner, eenvoudiger en preciezer is dan eerdere pogingen tot gepolariseerde beeldvorming.
De interdisciplinaire groep, waaronder een neurobioloog aan de University of Queensland, Australië, een computeringenieur aan de Washington University in St. Louis en anderen van de University of Maryland, Baltimore County en de University of Bristol in Engeland, publiceerde onlangs het werk in de procedure van de IEEE (Instituut voor elektrische en elektronische ingenieurs) .
De bidsprinkhaankreeft, zoals sommige insecten, inktvis en andere koppotigen, kan verschillen in gepolariseerd licht zien - dat is licht dat in verschillende richtingstralen uitstraalt - op een vergelijkbare manier dat we het contrast tussen een zwarte muur en een witte kunnen zien tafel. Dieren gebruiken dit vermogen om prooien te detecteren, een partner te vinden en te voorkomen dat ze worden opgegeten.
Maar gepolariseerd licht kan ook worden gebruikt om dingen te zien die het menselijk oog niet kan zien, zoals kankercellen. Het onderzoek van het team toont aan dat zijn sensor het vermogen heeft om kankerachtige laesies te detecteren voordat de cellen talrijk genoeg worden om als zichtbare tumoren te verschijnen.
De polarisatie-beeldsensor, vergelijkbaar met de soorten beeldsensoren die al in smartphones worden gebruikt, is klein genoeg om beelden van kanker in het menselijk lichaam te maken. (Timothy York, Viktor Gruev) Viktor Gruev, universitair hoofddocent informatica en engineering aan de universiteit van Washington, wiens laboratorium werkte aan het bouwen van de sensor, zegt dat kankercellen gemakkelijk te zien zijn onder gepolariseerd licht omdat hun ongeorganiseerde en invasieve structuren licht anders verstrooien dan normale lichaamscellen.
Hoewel onderzoekers in het verleden gepolariseerde beeldvormingsapparaten hebben gemaakt, zijn ze meestal groot, gebruiken ze meerdere sensoren en zijn ze complex, omdat ze vereisen dat optica-, engineering- en fysica-experts goed werken. Dat betekent natuurlijk ook dat de instrumenten erg duur zijn.
Maar door verbeteringen in de nanotechnologie te combineren, de kleine CMOS-sensoren (gratis metaaloxide-halfgeleider) die gebruikelijk zijn in smartphones en de basisprincipes van de werking van het visiesysteem van de bidsprinkhaankreeft, kon het team een veel eenvoudigere beeldvormingssensor maken. Kleiner dan een cent, de sensor is erg gevoelig en kan kankercellen eerder detecteren dan eerdere pogingen tot gepolariseerde beeldvorming, met zowel stilstaande beelden als video. Gruev zegt dat zijn afgestudeerde student, Timothy York, de hoofdauteur op het papier, veel van het werk met de camera en de mogelijke medische toepassingen ervan heeft gedaan.
In dit endoscopiebeeld van een dikke darm van een muis toont de sensor het tumorweefsel in blauw, terwijl het gezonde weefsel geel wordt weergegeven. (IEEE) (IEEE) Bij darmkanker zou een arts bijvoorbeeld normaal gesproken een endoscoop gebruiken om te zoeken naar weefsel dat kanker lijkt en vervolgens een biopsie nemen. Maar de kanker moet zich in een bepaald ontwikkelingsstadium bevinden voordat hij er anders uitziet dan het menselijk oog. Gepolariseerde beeldvorming kan kankercellen veel eerder herkennen, maar eerdere beeldvormingsapparaten zijn te groot om eerder op deze manier te worden gebruikt.
"We zijn overgestapt van meerdere camera's naar een oplossing met één chip", zegt Gruev. “Het is moeilijk om meerdere camera's op een endoscoop te zetten en foto's te maken. Met ons apparaat bevinden alle filters zich op de camera en gaat het van iets dat op uw optische bank zit naar iets dat aan het einde van een endoscoop zit. ”
De camera kan de behoefte aan biopsieën drastisch verminderen - maar totdat de technologie is verfijnd, is de mate waarin dit zal gebeuren onduidelijk.
Justin Marshall, een neurobioloog aan de Universiteit van Queensland en een van de auteurs van de krant, bracht zijn expertise over mantisgarnalen mee naar het project. Hij onderzoekt de visie van de garnaal al meer dan 25 jaar. Zowel hij als Gruev zijn het erover eens dat een van de volgende uitdagingen zal zijn om een manier te vinden om ook traditionele kleurenvisie in de sensor te integreren. Zoals het er nu uitziet, kan de sensor verschillen in polarisatie zien, maar niet de kleuren die we zien. Dat is een probleem voor artsen die op een dag dit type sensor kunnen gebruiken, omdat ze meestal visuele aanwijzingen gebruiken om hen te begeleiden tijdens delicate procedures. Maar garnalen kunnen ook op dat vlak wat hulp bieden.
"[Mantis-garnalen] lijken erg specifiek te zijn over de manier waarop ze informatie verzamelen, zowel wat betreft kleur als polarisatie", zegt Marshall. “Ze wuiven met hun ogen om hun sensor over de wereld te duwen, een beetje zoals een satellietscan. Er kunnen daar wat trucjes in zitten die we ook kunnen lenen. '
Marshall denkt dat de sensor eerst kan worden gebruikt om patiënten op darmkanker te screenen, want dat is een specifiek gebied waar zijn team aan heeft gewerkt en waar de grootte en complexiteit van andere gepolariseerde beeldcamera's in het verleden een probleem was. Eenvoudigere polarisatiescopes worden al gebruikt om te controleren op huidkanker in Australië, waar bij twee op de drie mensen de ziekte wordt gediagnosticeerd vóór de leeftijd van 70. De onderzoekers experimenteren ook met het gebruik van gepolariseerd licht om het weefselcontrast te vergroten om artsen te helpen vertellen waar start en stop het snijden tijdens een operatie.
Omdat de op garnalen geïnspireerde chip zo compact en gemakkelijk te gebruiken is, zou de technologie zijn weg kunnen vinden naar draagbare apparaten en zelfs smartphones. Als dat zo is, zegt Marshall, kunnen mensen op een dag zelf controleren op kankers en de last op overbelaste gezondheidszorgsystemen verminderen.
Hoewel er veel potentieel is in de gepolariseerde beeldverwerkingstechnologie, zegt Gruev dat er nog veel werk te doen is, zowel bij het opnemen van kleurwaarneming als bij het verfijnen van de gevoeligheid van de polarisatiedetectie om de resolutie te verhogen en het nog beter te maken bij het detecteren van ernstige ziekten vroeg.
"We krassen gewoon op hoe we naar biologie kunnen kijken en beeldvormingssystemen kunnen bouwen die kunnen helpen bij de diagnose van kanker en andere ziekten, " zegt hij.
