Phase-Locked Time-Stretch Optical Coherence Tomography for Contrast-Enhanced Retinal Microangiography

कल्पना कीजिए कि आप एक तूफान के दौरान उड़ते हुए हमिंगबर्ड (hummingbird) के पंखों की तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं। आपको एक ऐसे कैमरे की आवश्यकता है जो गति को रोकने के लिए पर्याप्त तेज़ हो, हर पंख को देखने के लिए पर्याप्त स्पष्ट हो, और इतना स्थिर हो कि हवा तस्वीर को धुंधला न कर दे। यह उस चुनौती के समान है जिसका सामना करने वाले डॉक्टर मानव आँख के भीतर की सूक्ष्म रक्त वाहिकाओं को देखना चाहते हैं। वर्षों से, वे "ऑप्टिकल कोहेरेंस टोमोग्राफी एंजियोग्राफी" (OCTA) नामक एक विशेष प्रकार के "लाइट रडार" का उपयोग कर रहे हैं। इस तकनीक को एक सुपर-पावर वाले टॉर्च की तरह समझें जो आंख की परतों से टकराकर वापस आने वाली रोशनी का उपयोग करके एक 3D मानचित्र बनाता है। यह अद्भुत है क्योंकि यह बिना किसी डाई (dye) को इंजेक्ट किए रक्त के प्रवाह को देख सकता है। हालाँकि, पुराने कैमरे कुछ ऐसे थे जैसे धीमी शटर स्पीड के साथ फोटो लेना: यदि रोगी ने पलक झपकाई या उसकी आँख थोड़ी भी हिली, तो तस्वीर धुंधली हो जाती थी, और सूक्ष्म वाहिकाएं एक उलझे हुए रेखाचित्र जैसी दिखने लगती थीं। लक्ष्य हमेशा एक ऐसा कैमरा बनाना रहा है जो आँख की सूक्ष्म गतिविधियों को पकड़ने के लिए पर्याप्त तेज़ हो, आँख की बहुत पीछे की परतों को देखने के लिए पर्याप्त गहरा हो, और रंगों को वास्तविक बनाए रखने के लिए पर्याप्त स्थिर हो।

यह शोध पत्र उस आँख के कैमरे के एक नए, सुपर-चार्ज्ड संस्करण का परिचय देता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो एक हाई-स्पीड ट्रेन की तरह काम करता है, जो प्रति सेकंड 50 लाख लाइनों की दर से आँख के डेटा के माध्यम से दौड़ता है। तस्वीर को धुंधला होने से बचाने के लिए, उन्होंने एक "फेज-लॉक्ड" (phase-locked) तकनीक का उपयोग किया, जो एक सटीक मेट्रोनोम के साथ एक कंडक्टर की तरह है, जो यह सुनिश्चित करता है कि प्रकाश की हर एक लहर डिटेक्टर तक बिल्कुल सही समय पर पहुँचे। इसके अलावा, उन्होंने प्रकाश की तरंगों (pulses) को एक रबर बैंड की तरह खींचकर फैला दिया, ताकि डेटा को पकड़ना आसान हो सके। परिणाम स्वरूप, यह सिस्टम आँख की रक्त वाहिकाओं को अविश्वसनीय स्पष्टता के साथ देख सकता है, जो हवा में 2 मिलीमीटर (लगभग 1.5 मिलीमीटर आँख के अंदर) की गहराई तक पहुँच सकता है। उन्होंने इसका परीक्षण स्वस्थ स्वयंसेवकों पर किया और पाया कि उनकी नई विधि वर्तमान व्यावसायिक मशीनों की तुलना में आँख के सूक्ष्म संवहनी नेटवर्क (vascular networks)—जैसे कि सुपेरफिशियल और डीप कैपिलरी प्लेक्सस—को बहुत बेहतर तरीके से मैप कर सकती है। शोध का सुझाव है कि यह स्पष्ट, तेज़ और गहरा दृश्य डॉक्टरों को डायबिटिक रेटिनोपैथी, मैकुलर डिजनरेशन और यहाँ तक कि अल्जाइमर जैसी बीमारियों का जल्दी पता लगाने में मदद कर सकता है, हालांकि लेखक यह भी नोट करते हैं कि यह सिस्टम अभी एक प्रोटोटाइप है जिसे रोज़मर्रा के अस्पताल उपयोग के लिए छोटा और तेज़ बनाने की आवश्यकता है।

द स्टोरी ऑफ द सुपर-आई कैमरा (The Story of the Super-Eye Camera)

समस्या: धुंधला हमिंगबर्ड
मानव आँख रक्त वाहिकाओं का एक जटिल शहर है, जिनमें से कुछ इतनी पतली होती हैं कि वे केवल कुछ माइक्रोमीटर चौड़ी होती हैं। उन्हें देखने के लिए, डॉक्टर OCTA नामक तकनीक का उपयोग करते हैं। कल्पना करें कि आप एक धुंधले कमरे में टॉर्च जला रहे हैं; प्रकाश धूल (या इस मामले में रक्त कोशिकाओं) से टकराकर वापस आता है और आपको बताता है कि चीजें कहाँ हैं। समस्या यह है कि आँख कभी पूरी तरह स्थिर नहीं रहती। वह फड़कती है, पलक झपकाती है और हिलती है। यदि आपका कैमरा बहुत धीमा है, तो छवि धुंधली हो जाती है। यदि यह स्थिर नहीं है, तो रंग आपस में मिल जाते हैं। कैमरे को तेज़ बनाने के पिछले प्रयासों ने अक्सर छवि को उथला बना दिया (आप कमरे के पिछले हिस्से को नहीं देख पाते थे) या कम स्थिर (तस्वीर हिल जाती थी)। यह एक क्लासिक ट्रेड-ऑफ था: आप या तो तेज़ जा सकते थे, या गहरा देख सकते थे, लेकिन आप दोनों चीज़ें उच्च गुणवत्ता के साथ नहीं कर सकते थे।

समाधान: रबर बैंड और मेट्रोनोम
इस शोध पत्र के दल ने एक नए प्रकार के प्रकाश स्रोत और उसे पकड़ने के एक नए तरीके का निर्माण करके इसे ठीक करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक लेजर का उपयोग किया जो "स्ट्रेच्ड पल्स" (stretched pulses) बनाता है। कल्पना करें कि एक रबर बैंड का छोटा, तीखा झटका है। अब, कल्पना करें कि उस झटके को एक लंबी, चिकनी लहर में खींच दिया गया है। यह "टाइम-स्ट्रेच" तकनीक कैमरे को अधिक जानकारी कैप्चर करने की अनुमति देती है बिना अभिभूत हुए।

लेकिन प्रकाश को खींचना ही काफी नहीं है; आपको इसे पूरी तरह से पकड़ना भी होगा। शोधकर्ताओं ने एक "फेज-लॉक्ड" सिस्टम जोड़ा। इसे एक रुबिडियम परमाणु घड़ी (सबसे सटीक टाइमकीपर) के साथ एक मास्टर कंडक्टर के रूप में सोचें। यह कंडक्टर लेजर को कब फायर करना है और कैमरे को कब स्नैप लेना है, यह बताता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि वे पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़्ड हैं। चूंकि वे एक साथ लॉक हैं, कैमरा छोटी-छोटी हलचल से भ्रमित नहीं होता है। यह उन्हें "सब-एनएम फेज सेंसिटिविटी" (sub-nm phase sensitivity) प्राप्त करने की अनुमति देता है, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि वे एक एकल परमाणु की चौड़ाई से भी छोटी गतिविधियों का पता लगा सकते हैं।

परिणाम: एक क्रिस्टल क्लियर मैप
इस नए सेटअप के साथ, टीम ने कुछ प्रभावशाली आंकड़े हासिल किए। उनका लेजर 5 MHz (50 लाख बार प्रति सेकंड) की दर से घूमता है, जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ है। वे हवा में 2 mm की गहराई देख पाए (जो आँख के अंदर लगभग 1.5 mm के बराबर है, क्योंकि आँख तरल पदार्थ से भरी होती है)। उनके लेजर का बैंडविड्थ भी 102 nm है, जो उन्हें बारीक विवरण देखने में मदद करता है।

जब उन्होंने मानव स्वयंसेवकों पर इसका परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि उनका सिस्टम केवल 2 सेकंड में रेटिना की रक्त वाहिकाओं का 3D मैप बना सकता है। यह व्यावसायिक मशीनों की तुलना में बहुत तेज़ है, जिन्हें एक छोटे क्षेत्र के लिए लगभग 5 से 6 सेकंड लगते हैं। क्योंकि यह बहुत तेज़ है, आँख को हिलने का समय ही नहीं मिलता, इसलिए तस्वीर स्पष्ट रहती है।

उन्होंने क्या देखा: आँख की परतें
शोधकर्ताओं ने आँख की रक्त आपूर्ति की विभिन्न परतों को देखने के लिए अपने नए कैमरे का उपयोग किया:

• सुपेरफिशियल और डीप कैपिलरी प्लेक्सस: ये सतह के पास सूक्ष्म वाहिकाओं की ऊपरी और निचली परतें हैं। उनके कैमरे ने इन नेटवर्कों को मानक मशीनों की तुलना में बहुत अधिक स्पष्टता के साथ दिखाया, जिससे वे "मकड़ी के जाल जैसे" वोर्टेक्स पैटर्न प्रकट हुए जो पहले देखना कठिन था।
• कोरियोकैपिलारिस (Choriocapillaris): यह आँख की गहराई में, रेटिना के ठीक बगल में स्थित सूक्ष्म वाहिकाओं की एक परत है। इस परत को देखना बहुत कठिन माना जाता है क्योंकि यह बहुत गहरी है और वाहिकाएं बहुत छोटी हैं। नया सिस्टम इस परत को स्पष्ट रूप से देखने में सफल रहा, जिसमें एक घने, जाल जैसी संरचना को दिखाया गया।

यह प्रतिस्पर्धा की तुलना में कैसा है?
टीम ने अपने नए सिस्टम की तुलना दो शीर्ष स्तर की व्यावसायिक मशीनों (Topcon DRI Triton और Zeiss PLEX Elite 9000) से की।

• गति (Speed): नया सिस्टम 4.1 × 4.4 mm के क्षेत्र को 2 सेकंड में स्कैन करता है। व्यावसायिक मशीनों को छोटे 3 × 3 mm क्षेत्र को स्कैन करने में 5 से 7 सेकंड लगते हैं।
• रेज़ोल्यूशन (Resolution): नया सिस्टम 7.4 μm (माइक्रोमीटर) चौड़ाई और 5.8 μm गहराई तक के विवरण देख सकता है। व्यावसायिक मशीनें लगभग 20 μm चौड़ाई और 6.3 से 8.0 μm गहराई तक सीमित हैं।
• स्पष्टता (Clarity): नई छवियों में, रक्त वाहिकाएं निरंतर और स्पष्ट दिखाई देती हैं। व्यावसायिक छवियों में, वाहिकाएं अक्सर टूटी हुई या धुंधली दिखती हैं, विशेष रूप से गहरी परतों में।

निष्कर्ष: एक शक्तिशाली प्रोटोटाइप
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह नया "फेज-लॉक्ड टाइम-स्ट्रेच" सिस्टम एक बड़ी प्रगति है। यह साबित करता है कि आप एक साथ उच्च गति, गहरी इमेजिंग और उच्च स्थिरता प्राप्त कर सकते हैं। उनके द्वारा उपयोग किया गया जटिल वेरिएंस (CV) एल्गोरिदम, जो प्रकाश के ब्राइटनेस (चमक) और फेज (समय) दोनों को देखता है, उन पुराने तरीकों की तुलना में बेहतर पाया गया जो केवल ब्राइटनेस या केवल फेज को देखते थे।

हालाँकि, लेखक सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि यह वर्तमान में एक प्रोटोटाइप है। यह भारी मात्रा में डेटा (12.5 GB प्रति स्कैन) उत्पन्न करता है, जिसे एक मानक कंप्यूटर पर प्रोसेस करने में लगभग 1 घंटा लगता है। इसे वास्तविक अस्पताल में उपयोग करने के लिए, डेटा प्रोसेसिंग को तेज़ करने की आवश्यकता है, और मशीन को छोटा और उपयोग में आसान बनाने की आवश्यकता है। वे यह भी उल्लेख करते हैं कि जबकि वर्तमान सिस्टम 2 mm गहरा देखता है, भविष्य के डिटेक्टरों में सुधार इसे और भी आगे बढ़ा सकता है।

संक्षेप में, यह शोध पत्र हमें आँख की रक्त वाहिकाओं की एक "सुपर-फोटो" लेने का एक नया तरीका दिखाता है। यह आज जो हमारे पास है उससे तेज़, अधिक स्पष्ट और अधिक गहरा है, जो डॉक्टरों को गंभीर क्षति होने से पहले आँख की बीमारियों और यहाँ तक कि अल्जाइमर जैसी प्रणालीगत स्थितियों का पता लगाने के लिए एक आशाजनक उपकरण प्रदान करता है। लेकिन किसी भी महान आविष्कार की तरह, इसे वास्तविक दुनिया में उपयोग के लिए तैयार होने से पहले अभी भी कुछ सुधारों की आवश्यकता है।