استفاده از فناوری بیوفوتونیک در کاربردهای بهداشتی

اپتیک و فوتونیک سابقه قوی در تحقیقات پزشکی و تشخیص دارند. از اولین اشکال میکروسکوپ، کاربردهای پزشکی به محصولات و تکنیک های مدرن مانند درمان های لیزری، طیف سنجی، میکروسکوپ مدرن، تصویربرداری با وضوح بالا و حتی تشخیص از راه دور با استفاده از ارتباطات فیبر نوری ادامه یافته است.

مجله لیزر

مقاله مجله نشان می‌دهد که چگونه کار محققان در استفاده از طیف‌سنجی و تصویربرداری فلورسانس بدون برچسب «طول عمر» توانایی برای کاربردهای بالینی متعدد را نشان داده است، همانطور که توسط یک مطالعه جراحی جدید در انسان‌ها که شامل سیستم جراحی رباتیک داوینچی Intuitive Surgical است نشان داده شده است:

Intuitive Surgical با همکاری Laura Marcu، Ph.D. از دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، یک محقق پیشگام در زمینه فلورسانس با زمان حل شده، اخیراً اولین مطالعه در انسان را انجام داد که شامل ادغام اتوفلورسانس در جراحی رباتیک است. این کار استفاده از تشخیص بافت با زمان حل شده را برای راهنمایی جراحی در زمان واقعی مورد مطالعه قرار داد.

بر اساس کار قبلی آزمایشگاه مارکو روی اسکن طیف‌سنجی فلورسانس با تفکیک زمانی چندطیفی (ms-TRFS) و با همکاری دکتر گرگوری فارول از دانشکده پزشکی UC Davis، این گروه یک زیرسیستم ms-TRFS را در داوینچی ادغام کردند. آنها توانایی سیستم را برای تکمیل بازرسی بصری در داخل بدن، ابتدا در مدل های خوکی و سپس در افراد مبتلا به سرطان دهان که تحت عمل جراحی روباتیک ترانس دهانی قرار داشتند، ارزیابی کردند.

این کار برای اولین بار تجسم مستمر در زمان واقعی مناطقی را که توسط یک کاوشگر فیبر نوری مورد بازجویی قرار گرفته و به یک جراح ارسال شده بود، و توانایی ایجاد کنتراست تشخیصی بر اساس ویژگی‌های اتوفلورسانس را نشان داد.

ابزار تشخیصی جدید تصویربرداری تومورها را در طول جراحی سرطان مغز روشن می کند

یک فناوری جدید تصویربرداری نوری که در دانشگاه کالیفرنیا، دیویس توسعه یافته است، می تواند به جراحان مغز و اعصاب کمک کند تا به صورت بصری و عینی بین بافت های سالم و سرطانی در طول جراحی های سرطان مغز تمایز قائل شوند. این فناوری که تصویربرداری مادام العمر فلورسانس (FLIm) نام دارد، می تواند به جراحان اجازه دهد تا تومورهای بدخیم را به طور دقیق تر و کامل تر حذف کنند.

فناوری های تصویربرداری در طی جراحی های سرطان مغز

در طول جراحی های سرطان مغز، جراحان مغز و اعصاب باید بافت های بدخیم در هم تنیده با مغز نرمال و عملکردی را شناسایی و حذف کنند. برای تشخیص خوب از بد، جراحان از فناوری های تصویربرداری کمکی از MRI های بزرگ و گران قیمت حین عمل گرفته تا ابزارهای تصویربرداری مبتنی بر رنگ میکروسکوپی استفاده می کنند.

این ابزارهای تصویربرداری تجاری موجود عموماً در تشخیص تومورهای کمتر تهاجمی کارایی پایینی دارند. آنها نیاز به برنامه ریزی قابل توجه قبل از جراحی، راه اندازی اتاق عمل ویژه و تجویز رنگ های بالقوه سمی به بیماران دارند.

FLIm چیست و چگونه کار می کند؟

جراح با یک کاوشگر تشخیصی قلم مانند دستی که با فناوری FLIm کار می کند، بافت ها را برای تغییرات فلورسنت مربوط به تغییرات در متابولیسم بافت اسکن می کند، عاملی که به شدت با تومورهای سرطانی مغز مرتبط است.

دستگاه FLIm نور ذاتی ساطع شده از بافت ها را گرفته و آنالیز می کند. این داده های بصری و کمی را با اندازه گیری های دقیق نور اتوفلورسانس ساطع شده از بافت ها فراهم می کند. این نور نشان دهنده وجود یا عدم وجود ناهنجاری های متابولیک و در نتیجه خطر سلول های سرطانی است.

بلوخ، جراح مغز و اعصاب و یک رهبر شناخته شده بین المللی در سرطان مغز، گفت: «اگر جراحان بتوانند تغییرات متابولیک در بافت را در طول عمل شناسایی و تجسم کنند، می توانند دقیقاً بافت های سرطانی را برداشته و بقای بیماران خود را بهبود بخشند.

FLIm استانداردهای مراقبت را برای جراحی های سرطان مغز تغییر می دهد؟

ویژگی دستگاه FLIm جمع آوری و نمایش داده ها ساده، سریع و انعطاف پذیر است. این امکان ادغام یکپارچه با تکنیک های تصویربرداری موجود در جراحی مغز و اعصاب را فراهم می کند. این یک جایگزین بسیار ارزان تر برای MRI و یک ابزار تشخیصی راحت تر و ایمن تر از تصویربرداری مبتنی بر رنگ است.

مارکو، پروفسور مهندسی بیوپزشکی، گفت: "مزیت کلیدی تکنیک FLIm ما این است که می تواند نفوذ تومور را در زمان واقعی در طول جراحی مغز و اعصاب بدون نیاز به مواد حاجب برجسته کند." ما از ویژگی‌های فلورسانس ذاتی بافت مغز برای تشخیص مناطقی که تومور به مغز سالم نفوذ می‌کند، استفاده می‌کنیم.»

کاربرد FLIm در جراحی های سرطان مغز هنوز در مرحله نمونه اولیه است. در صورت تایید، انتظار می رود که جراحی های مغز و اعصاب را متحول کند.

تست و اعتبارسنجی FLIm

در مرحله اول مطالعه، محققان در حال جمع‌آوری داده‌های ثبت FLIm در حین جراحی و مقایسه آن‌ها با نتایج بیوپسی بافت هستند. این مرحله برای ایجاد دقت خواندن FLIM و ایجاد دستورالعمل هایی برای تفسیر داده ها ضروری است.

ما در حال ساخت مجموعه داده های آموزشی خود هستیم که بر اساس آن می توانیم معیارهای خاصی را ایجاد کنیم که می تواند بافت تومور را از بافت سالم متمایز کند. بلوخ گفت: ما قدرت پیش‌بینی این دستورالعمل‌ها را در مرحله دوم مطالعه تأیید خواهیم کرد.

در مرحله دوم، محققان از این فناوری برای هدایت حذف تومورهای مغزی استفاده خواهند کرد. آنها میزان بهبود حذف تومور و بقای بیمار را تعیین خواهند کرد.

بلوچ افزود: «ما معتقدیم که استفاده از FLIm در جراحی‌های سرطان مغز باعث پیشرفت این زمینه و بهبود شانس بقا برای بیماران مبتلا به سرطان مغز می‌شود». این فناوری بومی دانشگاه کالیفرنیا دیویس ممکن است به استاندارد بعدی مراقبت تبدیل شود که به طور گسترده در جراحی های سرطان پذیرفته شده است.

مهندسی زیست پزشکی جراحی مغز و اعصاب

مهندسی زیست پزشکی جراحی مغز و اعصاب

طیف‌سنجی و تکنیک‌های تصویربرداری طول عمر فلورسانس، تشخیص نوری بافت بیولوژیکی، کاربردهای بالینی فناوری‌های بیوفوتونیکی، شناسایی اپتیکی بدون برچسب مواد زیستی

تحقیق و مهندسی ابزار دقیق مبتنی بر طول عمر فلورسانس و سیستم‌های تصویربرداری چندوجهی که مطالعات تغییرات مولکولی، متابولیکی و مورفولوژیکی در سیستم‌های زنده را از سلول‌های بیولوژیکی و مدل‌های حیوانی گرفته تا بیماران انسانی را امکان‌پذیر می‌سازد. تحقیقات او کاربردهای منحصربه‌فردی را که بر مدیریت بالینی بیماری‌های حیاتی انسانی تأثیر می‌گذارد، با تأکید بر سه حوزه متمایز هدف می‌گیرد: سیستم‌های قلبی عروقی (تشخیص داخل عروقی)، انکولوژی (تشخیص حاشیه‌های جراحی حین عمل) و پزشکی احیاکننده (مهندسی بافت).

تصویربرداری زیست پزشکی و بیوفوتونیک

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) مغز، از جمله MRI عملکردی و تصویربرداری تانسور انتشار (DTI)

بیوسنینگ نوری؛ تشخیص غیر تهاجمی؛ تصویربرداری و حسگر تصحیح شده حرکت

ابزارهای بیوفوتونیک برای کاربرد در تشخیص زودهنگام، تشخیص و درمان سرطان؛ توسعه و استقرار فناوری‌های نقطه‌ای مراقبتی کم‌هزینه و با کارایی بالا برای کاربردهای بهداشتی روستایی و جهانی

اندازه‌گیری داخل عروقی نقاط پایانی درمانی و ردیابی کاتتر/ابلیشن برای تحویل هدف براکی/شیمی‌درمانی

همودینامیک، دینامیک مایعات محاسباتی، MRI، تصویربرداری قلبی عروقی

تکنیک ها و کاربردهای تصویربرداری عصبی عملکردی؛ پردازش سیگنال و تحلیل محاسباتی

مهندسی عصبی، تحریک عمیق مغز، حافظه فعال، رشد شناختی، قشر جلوی مغز

توسعه و کاربرد روش‌های تصویربرداری رزونانس مغناطیسی برای مطالعه ساختار و عملکرد ماهیچه‌های اسکلتی سالم و پاتولوژیک

شبکه های مغزی در صرع و سایر اختلالات عصبی؛ تصویربرداری عصبی عملکردی و آناتومیک؛ الکتروفیزیولوژی انسان؛ جراحی مغز و اعصاب عملکردی

تعامل لیزر-بافت؛ رابط های عصبی نوری؛ مدولاسیون فعالیت عصبی با استفاده از نور لیزر مادون قرمز. اثرات سلولی محرک های ناشی از لیزر. کاربرد نور، لیزر و فناوری نوری در پزشکی و زیست شناسی

کاربرد تکنیک های نوری برای جراحی چشم. زمینه های تحقیقاتی اولیه استفاده از توموگرافی انسجام نوری

برهم کنش نور-ماده، فوتونیک سیلیکون، حسگرهای زیستی سیلیکونی متخلخل، نانوتکنولوژی، مواد نانوکامپوزیت

فوتونیک یک علم فیزیکی پویا است

چرا فوتونیک؟

فوتونیک یک علم فیزیکی پویا است که بر خود نور، (فوتون) ایجاد، دستکاری، کنترل و کاربردهای فوتونیک در زندگی روزمره تمرکز دارد.

فوتونیک فناوری کلیدی برای حوزه‌های مختلف تحقیقاتی و شاخه‌های نوآورانه صنعت است که توسعه فناوری را در قرن بیست و یکم هدایت می‌کند. همانطور که قرن بیستم برای الکترونیک بود، انتظار می رود این قرن عصر فوتونیک باشد.

اگر شما فارغ التحصیل فیزیک، مهندسی یا رشته های مرتبط هستید، فوتونیک شانس شماست تا با تحقیقات و کار خود جهان را روشن کنید. با مدرک دکترا در فوتونیک، فرصت های شغلی متعددی در دانشگاه و صنعت خواهید داشت.

پروفسور کاتارینا سوانبرگ

من بسیار متقاعد هستم که دانشمندان جوانی که در این رویداد شرکت کردند، از تجربیات این رویداد در زندگی حرفه ای خود استفاده خواهند کرد و مطمئن هستم که آنها چیزهای زیادی هم برای زندگی حرفه ای و هم برای زندگی شخصی خود آموخته اند.

پروفسور کاتارینا سوانبرگ

دانشگاه لوند و رئیس سابق SPIE در مورد "زنان در فوتونیک 2018"

کارگاه بین المللی فرصت های شغلی

فوتونیک بخش به شدت در حال رشد اقتصاد و یک حوزه تحقیقاتی عمده در اروپا است. در تورینگن و به طور خاص در ینا، مکان علمی و صنعتی توسط دانشگاه ها، موسسات تحقیقاتی و شرکت ها در زمینه اپتیک و فوتونیک شکل گرفته است. در حالی که تعداد فارغ التحصیلان زن جوان و آموزش دیده زیاد است، زنانی که جایگاه پیشرو در دانشگاه و صنعت فناوری پیشرفته دارند هنوز کمتر حضور دارند.

کارگاه "زنان در فوتونیک" با هدف ایجاد ارتباط بین دانشمندان زن ممتاز در ابتدای کار خود با متخصصان فوتونیک که موقعیت‌های پیشرو در موسسات و شرکت‌های تحقیقاتی دارند.

تمرکز کارگاه امسال بر روی موارد زیر خواهد بود:

بیوفوتونیک مانند طیف سنجی ارتعاشی، فلورسانس، OCT، PAT و غیره.

علم داده فوتونیک، یادگیری ماشین، هوش مصنوعی

این کارگاه به دانشجویان پسادکتری و دکتری زن مشغول به کار در این زمینه های تحقیقاتی می پردازد که می خواهند کار خود را ارائه دهند و شبکه های جدیدی ایجاد کنند. شرکت کنندگان این فرصت را خواهند داشت تا با دانشمندان با تجربه از دانشگاه و صنعت تبادل نظر کنند و به طور مشترک استراتژی هایی را برای یک حرفه حرفه ای موفق توسعه دهند.

کارگاه بین المللی زنان در فوتونیک 2022 در موسسه فناوری فوتونیک

کارگاه آموزشی: زنان در فوتونیک

موسسه فناوری فوتونیک

خیابان آلبرت انیشتین 

آلمان

در مورد فرصت های شغلی در فوتونیک بیاموزید

کارگاه زنان در فوتونیک با هدف برقراری ارتباط بین دانشمندان زن عالی در ابتدای کار خود با متخصصان فوتونیک که در موسسات و شرکت‌های تحقیقاتی موقعیت‌های پیشرو دارند، انجام می‌شود. این رویداد به زنان دانشمند (کاندیداهای فوق دکترا و دکترا) در زمینه (زیست) فوتونیک که می خواهند کارهای تحقیقاتی خود را ارائه دهند، شبکه های حرفه ای بسازند و مهارت های شغلی خاصی را بهبود بخشند، مخاطب قرار می دهد.

شرکت‌کنندگان این فرصت را خواهند داشت تا با دانشمندان با تجربه‌ای که در دانشگاه و صنعت کار می‌کنند تبادل نظر کنند و به طور مشترک استراتژی‌هایی را برای یک حرفه حرفه‌ای موفق توسعه دهند.

این رویداد شامل پذیرایی و گردهمایی شبکه‌ای، ارائه شرکت‌های با فناوری پیشرفته در مورد فرصت‌های شغلی بالقوه در فوتونیک زیستی، کارگاه‌های مختلف متمرکز بر توسعه مهارت‌ها، فرصت حضور و ارائه سخنرانی‌های علمی، و شبکه‌سازی فردی خواهد بود. جلسات با رهبران صنعت و کارشناسان دانشگاهی.

برنامه 5G

برنامه 5G

جوزپه اشاره می کند که ارزش افزوده 5G را می توان به سه دسته طبقه بندی کرد. اولین مورد متعلق به ستون فقرات شبکه 5G است: با استفاده از فوتونیک، می توان داده های بیشتری را با تأخیر کمتر و با ظرفیت بالاتر ارسال کرد. این راه حلی است که EFFECT Photonics روی آن کار می کند. EFFECT Photonics فرستنده‌های نوری قابل تنظیمی را ارائه می‌کند که هر دو انتهای فیبر را در یک شبکه متحرک DWDM (Multiplexing تقسیم طول موج متراکم) متصل می‌کند. فناوری DWDM چندین سیگنال نوری را با استفاده از طول موج های مختلف نور لیزر بر روی یک فیبر نوری واحد چندگانه می کند و از این رو ظرفیت شبکه را افزایش می دهد. EFFECT Photonics با دیگر شرکت‌های فرستنده گیرنده متفاوت است، زیرا ما قادریم تمام عناصر نوری را در یک تراشه قرار دهیم. این کار مونتاژ را آسان تر می کند زیرا فقط باید تراشه را طراحی کنید، آن را بسازید و به فیبر متصل کنید. این فناوری سیستم روی تراشه (SoC) ماژول های مقرون به صرفه را با یک راه حل کامل روی یک تراشه ارائه می دهد.

در همان زمان، کمی دورتر در آینده، فوتونیک می تواند ارتباطات فضای آزاد را با ارسال نور در هوا فعال کند. مانند یک فیبر نامرئی است. یکی از جنبه های مهمی که باید در نظر گرفته شود، ایمنی برای چشم انسان است. با این حال، تحولات در این زمینه به سرعت پیش می رود. Li-Fi (اتصال اینترنت بی سیم بر اساس نور) را تصور کنید که در آن می توانید پرتو را به لپ تاپ خود هدایت کنید تا بتوانید از تمام پهنای باند موجود استفاده کنید. نور نه تنها پیوند ایجاد می کند، بلکه پرتو را می توان به اطراف نیز حرکت داد. این ما را به دسته سوم می رساند.

آرایه فازی نوری جایی است که جهت پرتوهای نور را می توان با کنترل دینامیکی خواص نوری یک سطح هدایت کرد. این پرتوها می توانند مشتریان خاصی را دنبال کنند که به دسترسی بسیار سریع نیاز دارند، با قابلیت اختصاص پهنای باند به هر کسی که بیشتر به آن نیاز دارد: به عنوان مثال، خدمات حیاتی.

مزایای اضافی فوتونیک این است که می توانید به سرعت بالاتری دست پیدا کنید و حجم عظیمی از داده ها را پردازش کنید و در عین حال در انرژی (و در نتیجه هزینه ها) صرفه جویی کنید. همانطور که جوزپه می‌گوید: «اگر بتوانید این کار را هوشمندانه انجام دهید، می‌توانید فیزیک برای شما کار کند و بتوانید داده‌ها را سریع‌تر پردازش کنید و محاسبه کنید. با سرعت نور!».