پژوهشگران استرالیایی نشان دادند امواج الکترومغناطیس در بافتهای بیولوژیک دو جبهه موج مجزا دارند که محاسبات سنتی تصویربرداری پزشکی را دچار خطا میکند.
به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، مطالعهای پیشگامانه از دانشگاه کوئینزلند استرالیا نشان میدهد که امواج الکترومغناطیس در بافتهای زیستی دارای دو جبهه موج مجزای فاز و دامنه هستند که در زوایای مختلف حرکت میکنند. این پژوهش که در مجله Biosensors منتشر شده، برای اولین بار تأثیر این پدیده دوامواجی را بر دقت تصویربرداری پزشکی و ارتباطات درونبدنی مورد بررسی قرار داده است. نتایج نشان میدهد که اصل فرما در مورد کمترین زمان سیر که معمولاً برای تخمین زمان حرکت امواج در تصویربرداری پزشکی استفاده میشود، تنها زمانی دقیق است که ضریب تلفات هر دو محیط تطبیق و بافت بسیار پایین باشد. در غیر این صورت، نتایج نادرست خواهند بود و باید هر دو جبهه موج در نظر گرفته شوند. این یافتهها راهنمای ارزشمندی برای توسعه الگوریتمهای پردازشی قابل اطمینان در سنجش، تصویربرداری و ارتباطات درونبدنی ارائه میدهد.
ضرورت درک رفتار امواج در بافتهای زیستی
پیشرفت سریع در طراحی و توسعه دستگاههای پزشکی که از امواج الکترومغناطیس استفاده میکنند، علاقه به درک چگونگی تعامل این امواج با بافتهای بیولوژیک را به طور قابل توجهی افزایش داده است. این درک برای بهینهسازی عملکرد و قابلیت اطمینان سیستمهای تشخیصی و درمانی، از جمله دستگاههای کاشتنی، چارچوبهای تصویربرداری الکترومغناطیس و سیستمهای ارتباطی درونبدنی حیاتی است. دانش دقیق از رفتار انتشار امواج الکترومغناطیس درون بافتهای زیستی پیچیده، ناهمگن و ذاتاً تلفاتی، مستقیماً بر بازدهی انتقال توان، دقت تصویربرداری پزشکی و صحت انتقال سیگنال برای ارتباطات درونبدنی تأثیر میگذارد.
محدودیت اصل فرما در محیطهای تلفاتی
به طور سنتی، مسیرهای امواج الکترومغناطیس درون بافتهای زیستی با استفاده از اصل فرما در مورد کمترین زمان تخمین زده میشده است. این اصل نشان میدهد که امواج الکترومغناطیس مسیری را انتخاب میکنند که زمان سیر بین دو نقطه را به حداقل برساند. این امر در محیطهای بدون تلفات صادق است. با این حال، بافتهای زیستی ذاتاً تلفاتی هستند. در چنین محیطهایی، امواج الکترومغناطیس دو جبهه موج متمایز را نشان میدهند: جبهه موج فاز، که سطوح با فاز ثابت را نشان میدهد، و جبهه موج دامنه، که سطوح با دامنه ثابت را نشان میدهد. این ویژگی به عنوان خاصیت دوامواجی شناخته میشود.
تحلیل نظری و شبیهسازی جامع
در این مطالعه، از تحلیل نظری و شبیهسازیهای جامع برای نشان دادن این موضوع استفاده شده است که مسیر انتشار موج مشتق شده از توزیع فاز، عمدتاً توسط ثابت دیالکتریک محیط تعریف میشود، در حالی که رسانایی تأثیر کمی بر آن دارد. از طرف دیگر، مسیر موج بر اساس توزیع دامنه، با تغییرات در رسانایی محیط به طور قابل توجهی تغییر میکند. این تمایز implications مهمی برای ارتباطات درونبدنی و تصویربرداری پزشکی الکترومغناطیس دارد.
تأثیر محیط تطبیق بر جهت جبهههای موج
از آنجایی که محیط شماره ۱ در سنجش، تصویربرداری و ارتباطات درونبدنی پزشکی الکترومغناطیس، یک محیط تطبیق قرار داده شده بین آنتنهای خارجی و بدن انسان است، خواص دیالکتریک این محیط به طور قابل توجهی بر عملکرد این سیستمها تأثیر میگذارد. به طور سنتی، طراحی و انتخاب محیط تطبیق بر اساس مقدار ضریب بازتاب آنتنهای خارجی انجام میشده است. با این حال، این فاکتور به تنهایی کافی نیست. نتایج نشان میدهد که تغییر خواص محیط تطبیق، جهت انتشار امواج الکترومغناطیس درون بدن انسان را تغییر میدهد.
کاربرد در تصویربرداری پزشکی الکترومغناطیس
تصویربرداری پزشکی الکترومغناطیس برای تشخیص و مکانیابی بافتهای غیرطبیعی درون بدن انسان با استفاده از آنتنهای قرار داده شده در خارج از بدن، معمولاً در تماس با پوست از طریق یک محیط تطبیق یا کوپلینگ، استفاده میشود. این فناوری مبتنی بر ارسال امواج الکترومغناطیس به درون بدن و تحلیل سیگنالهای بازگشتی برای شناسایی ناهنجاریهای احتمالی مانند تومورها، کیستها یا سایر ضایعات پاتولوژیک است. دقت و صحت این روش تصویربرداری مستقیماً به درک صحیح از چگونگی انتشار امواج در بافتهای زیستی وابسته است.
تئوری مشتق شده از پژوهش حاضر به وضوح نشان میدهد که تغییرات در رسانایی محیط تطبیق به طور قابل توجهی بر زاویه جبهه موج دامنه در محیط بافت تأثیر میگذارد. به عبارت دیگر، هنگامی که رسانایی محیط تطبیق تغییر میکند، جهت انتشار سطح سطوح با دامنه ثابت امواج الکترومغناطیس در درون بافتهای بدن نیز دستخوش تغییرات اساسی میشود. این پدیده نه تنها یک مشاهده نظری، بلکه یک عامل تعیینکننده در عملکرد عملی سیستمهای تصویربرداری پزشکی محسوب میشود. این استنباط به ویژه در تصویربرداری پزشکی الکترومغناطیس دارای اهمیت فوقالعادهای است، جایی که یک محیط تطبیق معمولاً به عنوان یک محیط زمینه استفاده میشود. محیط تطبیق نه تنها برای کاهش بازتابهای سطح مشترک بین آنتن و پوست به کار میرود، بلکه به عنوان بخشی جداییناپذیر از محیط انتشار امواج در نظر گرفته میشود. در واقع، خواص دیالکتریک و رسانایی این محیط به طور مستقیم بر مسیر و رفتار امواج در حین عبور از بافتهای بدن تأثیر میگذارد. تغییر در جهت جبهه موج دامنه ناشی از تغییرات رسانایی محیط تطبیق میتواند منجر به تغییر الگوی توزیع میدان الکترومغناطیس در درون بافتها شود. این امر به نوبه خود بر چگونگی تعامل امواج با بافتهای غیرطبیعی و در نتیجه بر سیگنالهای بازگشتی تأثیر میگذارد. در سیستمهای تصویربرداری که از الگوریتمهای مبتنی بر شدت سیگنال برای مکانیابی ناهنجاریها استفاده میکنند، این تغییرات میتواند منجر به بروز خطا در تعیین موقعیت و اندازه ضایعات شود.
شبیهسازیهای عملی و نتایج
شبیهسازیهای انجام شده نشان میدهند که جهت جبهههای موج دامنه با تغییرات در رسانایی محیط تطبیق به طور قابل توجهی تغییر میکند. هنگامی که محیط تطبیق بدون تلفات است، جبهههای موج دامنه در محیط بافت عمود بر رابط بین دو محیط هستند. در نتیجه، گیرنده closest به هدف، سیگنال با بالاترین شدت را تشخیص میدهد. با افزایش رسانایی محیط تطبیق، جبهههای موج دامنه به سمت side محیط بافت shift میکنند و توزیع سیگنالهای دریافتی را تغییر میدهند. در نتیجه، گیرنده با بالاترین شدت سیگنال از position وسط به those closer to the bottom of the environment تغییر میکند.
کاربرد در ارتباطات درونبدنی
ارتباطات درونبدنی another application مهم است که به طور قابل توجهی تحت تأثیر انتشار امواج الکترومغناطیس در یک محیط تلفاتی، به عنوان مثال بافتهای زیستی، قرار میگیرد. سیستم ارتباطات درونبدنی aims to track the position of the in-body transmitting antenna با استفاده از سیگنالهای جمعآوری شده توسط آنتنهای گیرنده outside the body. دو رویکرد widely used to track the position of the transmitting antenna هستند: one of them based on signal amplitudes, while the other uses the phase of the received signals.
نتیجهگیری
این مطالعه نشان میدهد که درک پدیده دوامواجی امواج الکترومغناطیس در بافتهای زیستی برای توسعه سیستمهای پزشکی الکترومغناطیس قابل اطمینان ضروری است. اصل فرما در مورد کمترین زمان سیر تنها در شرایط خاصی قابل اعتماد است و در محیطهای تلفاتی مانند بافتهای زیستی باید هر دو جبهه موج فاز و دامنه در نظر گرفته شوند. این یافتهها راهنمای ارزشمندی برای توسعه الگوریتمهای پردازشی دقیقتر در سنجش، تصویربرداری و ارتباطات درونبدنی ارائه میدهد و میتواند به بهبود دقت و قابلیت اطمینان این سیستمها در کاربردهای بالینی منجر شود.
پایان مطلب/.