بخشی از مقاله
چکیده:
یکی از چالش های پیش رو در تکنیک اپتوژنتیک نور رسانی به نقاط مختلف بافت با کمترین تهاجم به واسطهی ابزارهای نور رسان است. به همین منظور در این مقاله دو پراب نوری به صورت فیبرنوری باریک شده از نوک با قابلیت های جاروب حجمی بافت مغزی و نوردهی بافت با کنترل فضایی باریکه های نور خروجی طراحی و شبیه سازی شده است.
با استفاده از شبیه سازی و آنالیز تحلیلی برای دو پراب به ترتیب - 1 امکان تابش دهی طولهای مختلف از فیبرنوری باریک شده از نوک برای تابش دهی حجم های مختلف از بافت مغزی، - 2 کنترل تابش دهی در نقاط مختلف بافت، میزان بهره ی توانی مدهای مختلف درون پراب، میزان توان های تابشی به نقاط مختلف برحسب زوایای مختلف نور ورودی وجود دارد. پراب دوم به صورت یک فیبرنوری باریک شده از نوک با چندین روزنه بر سطح بیرونی خود می باشد .
نتایج شبیه سازی با آنالیز تحلیلی مطابقت بسیار خوبی دارد به گونه ای که در دریچه های نزدیک به نوک پراب برای انتقال نور با بیشترین توان به محیط بیرون باید نور با کمترین زاویه به فیبر نوری تابانده شود بر اساس همین تحلیل می توان بهترین زاویه برای نوررسانی به سایر دریچه ها را نیز بدست آورد.
-1 مقدمه
با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک که تلفیقی از علم نور شناخت و مهندسی ژنتیک است می توان با استفاده از نور و با بیان گروه خاصی از پروتئین های حساس به نور همچون ChR2 بر روی سلول عصبی سیستم عصبی را دقت فضایی و زمانی بالا با نور کنترل نمود. در این تکنیک از پرابهای فیبرنوری برای رساندن به ناحیه هدف مغزی استفاده می شود
در برخی مطالعات علوم اعصاب نیاز است تا چندین ناحیه از بافت مغزی تحریک نوری شود تا بتوان رفتار یک شبکه عصبی را مورد مطالعه قرار داد. با تغییر یکسری در ساختار فیبرنوری امکان تابش دهی همزمان به نقاط مختلف بافت مغزی وجود دارد. با توجه به اینکه در آزمایشگاه با استفاده از ماشین کاری با باریکه های یونی انواع فابری پرو بر روی فیبرنوری باریک شده از نوک طراحی و ساخته شده است امکان ساخت این پرابهای نوری وجود دارد. [2] بر همین اساس در این مقاله دو پراب نوری مبتنی بر فیبرنوری باریک شده از نوک - TTF - به منظور کاهش تهاجم به بافت با دو قابلیت اساسی جاروب حجمی بافت مغزی و تابش دهی کنترل شده ی فضایی باریکه های نوری در بافت شبیه سازی شده است که در آزمایشگاه اپتوژنتیک در مرحله ساخت می باشد.
-2 اساس عملکرد پرابهای فیبرنوری با قابلیت جاروب حجمی بافت مغزی و کنترل فضائی باریکه های نوری به منظور نوردهی بافت مغزی در حجم های متفاوت یک فیبرنوری باریک شده به روش خوردگی شیمیایی در آزمایشگاه طراحی و ساخته شده است. در شکل - 1 - تصویر یک نمونه از TTF ساخته شده در آزمایشگاه نشان داده شده است. به واسطه ی این پراب می توان با تغییر زاویه ی نور ورودی به درون فیبر نوری انتشار و خروج نور در حدود چند صد میکرومتر از بخش های مختلف TTF را کنترل کرد. لذا با استفاده از این تکنیک می توان حجم های مختلف از بافت مغزی را به صورت کنترل شده تابشدهی نمود. علاوه بر این در صورت تزویج نور به درون پراب با گشودگی عددی کامل آن، امکان تابش دهی بخش وسیعی از بافت نسبت به حالت استفاده از فیبرنوری استاندارد فراهم می شود.
شکل :1 تصویر نمونه ای از TTF ساخته شده در آزمایشگاه
ساختار پراب با قابلیت کنترل فضائی باریکه های نوری مطابق شکل - - 1 مبتنی بر یک فیبرنوری چند مدی TTF می باشد که سطح بیرونی آن با یک فلز مانند طلا به دلیل خاصیت زیست سازگاری آن با بافت لایه نشانی شده است . سپس چندین روزنه بر روی آن به منظور خروج نور تنها از نقاط مورد نظر برای تابش دهی طراحی شده است.
شکل TTF :2 با دو روزنه بر روی سطح آن و دو آشکارساز نوری برای ثبت توان خروجی از آنها.
اساس عملکرد این پراب بر پایه کنترل زاویه تزویج نور به درون فیبرنوری و کنترل مدهای انتشاری در آن می باشد. به منظور بررسی انتشار مدی در طول فیبر نوری و تعیین موقعیت روزنهها بر روی فیبر از روشهای تحلیلی و مدل سازی ردیابی پرتوی از نرمافزار زیمکس استفاده شده است. میدان مدهای منتشر شده در درون هسته ی فیبرنوری بر اساس رابطهی - 1 - میباشد.[3] یکی از پارامترهای مهم در عملکرد این ابزار بررسی ثابت انتشار عرضی مدها ی هدایتی درون فیبرنوری و قسمت TTF می باشد که در این روابط U، ، l، a و به ترتیب بیانگر ثابت انتشار نرمالیزه هستهی فیبرنوری، عدد موج، مرتبهی سمتی میدان، شعاع هستهی فیبر نوری و ثابت انتشار طولی فیبر نوری میباشند.
ارتباط ثابت انتشار عرضی - - و طولی - - هر مد درون فیبرنوری با رابطه ی - 2 - بیان می گردد. هنگامی که نوک فیبر نوری باریک می گردد مطابق رابطه ی - 2 - اندازه مولفه ی ثابت انتشار عرضی هر مد با کاهش قطر فیبرنوری در این قسمت افزایش می یابد و براین اساس می توان مدهای درون TTF را تخمین نمود.
برای هر مد براساس زاویه یک شعاع بحرانی در قسمت وجود دارد. هنگامیکه مد مذکور به کمتر از این TTF و در نتیجه شعاع می رسد بدلیل موهومی گشتن ثابت انتشار طولی آن، آن مد توانایی انتشار در طول موجبر را نخواهد داشت و به صورت نمایی دچار اتلاف می گردد. بنابراین می توان بیان نمود که تنها مدها با مراتب کوچکتر توانایی رسیدن به نوک فیبر نوری باریک شده را خواهند داشت. این شعاع بحرانی برای هر مد مطابق رابطه ی - 4 - مشخص می گردد:
- 4 - اگر باریکه های ی نوری تزویج شده به درون فیبر نوری گاووسی در نظر گرفته شود آنگاه با استفاده از رابطه - 5 - می توان توزیع کسر توان هر مد - - از کل توان باریکه ی گاووسی تزویج شده به فیبر نوری - - را تخمین زد. به عبارت دیگر می توان پیش بینی نمود که کدام مد توانایی تابش دهی در روزنه های نوری ایجاد شده بر روی TTF را دار برای اطلاعات بیشتر از رابطه، بدلیل کمبود فضا به مرجع [4] رجوع شود.
-3 نتایج شبیه سازی
1-3 پراب نوری با قابلیت اسکن حجمی بافت
براساس شکل - 3 - مشاهده می شود که با افزایش درجه ی باریک شدگی طول نوردهی آن کاهش می یابد. همچنین با افزایش زاویه تزویج نور به درون فیبرنوری میزان طول تابش دهی در TTF نیز افزایش می یابد. بنابراین با کنترل زاویه ی تزویج نور به درون فیبرنوری می توان میزان طول نوردهی پراب و در نتیجه میزان حجم بافت تحت تابش را کنترل نمود.
شکل :3 مقایسه ی بین طول نوردهی سه تیپ تیپر با دو زاویه ی ⁰2، ⁰3 و ⁰4 و طول نوردهی آنها در زوایای مختلف جاروب فیبر نوری.
در شکل - 4 - مقایسه ای بین طول تابش دهی دو TTF با زوایه ی ⁰ 2 و ⁰4 در زاویه ی تابش ⁰8 نور به ورودی فیبرنوری را نشان می دهد. در TTF با زاویه ی ⁰2 طول نوردهی 380 میکرومتر و در TTF با زاویه ی ⁰4 به طول 175 میکرومتر است.
شکل :4 مقایسه ی طول نوردهی دو TTF با زوایای ⁰2 و ⁰4
2-3 پراب نوری با قابلیت کنترل فضایی باریکه نوری
به منظور تعیین موقعیت روزنهها، ابتدا یک TTF با زاویه ⁰3 شبیه سازی شده و سپس توان های انتشاری - نرمالیزه به توان ورودی - TTF در قطر های مختلف آن بر اساس چهار زاویه مختلف ورودی اندازه گیری شده است که نتایج آن در شکل - - 5 نشان داده شده است.
