Die Mantis-Garnele ist vor allem für ihren kugelförmigen Schlag bekannt, der sowohl superstarke Verbundwerkstoffe für künftige Körperschutzmaßnahmen als auch einen viralen Webcomic über das neugierige Krebstier inspiriert hat. Aber es stellt sich heraus, dass die Augen des Tieres genauso interessant sind wie seine Krallen.
Verwandte Inhalte
- Medizinische Mistel: Kann die Ferienpflanze Krebs wirklich bekämpfen?
Eine Gruppe von Forschern hat an einer Möglichkeit gearbeitet, die Facettenaugen und das polarisierte Sehen der Mantis-Garnelen zu modellieren, um eine Kamera zu entwickeln, die verschiedene Formen von Krebs erkennen kann. Sie haben jetzt einen Proof-of-Concept-Kamerasensor, der kleiner, einfacher und präziser ist als frühere Versuche der polarisierten Bildgebung.
Die interdisziplinäre Gruppe, darunter ein Neurobiologe an der University of Queensland, ein Computeringenieur an der Washington University in St. Louis und andere von der University of Maryland, Baltimore County, und der University of Bristol in England, veröffentlichte die Arbeit kürzlich in das Verfahren der IEEE (Institut für Elektrotechnik und Elektronik) .
Die Mantis-Garnele kann wie einige Insekten, Tintenfische und andere Kopffüßer Unterschiede im polarisierten Licht sehen - das ist Licht, das in verschiedene Richtungsebenen strahlt - auf ähnliche Weise, wie wir den Kontrast zwischen einer schwarzen Wand und einer weißen sehen könnten Tabelle. Tiere nutzen diese Fähigkeit, um Beute aufzuspüren, einen Partner zu finden und zu vermeiden, gefressen zu werden.
Mit polarisiertem Licht lassen sich aber auch Dinge sehen, die das menschliche Auge nicht sehen kann, wie beispielsweise Krebszellen. Die Forschung des Teams zeigt, dass sein Sensor Krebsläsionen erkennen kann, bevor die Zellen zahlreich genug werden, um als sichtbare Tumore aufzutreten.
Der Polarisations-Bildsensor ist ähnlich wie die bereits in Smartphones verwendeten Bildsensortypen klein genug, um Krebsbilder im menschlichen Körper aufzunehmen. (Timothy York, Viktor Gruev) Viktor Gruev, außerordentlicher Professor für Informatik und Ingenieurwissenschaften an der Washington University, dessen Labor am Aufbau des Sensors arbeitete, sagt, dass Krebszellen unter polarisiertem Licht leicht zu erkennen sind, da ihre desorganisierten und invasiven Strukturen das Licht anders streuen als normale Körperzellen.
Während Forscher in der Vergangenheit polarisierte Bildgebungsgeräte entwickelt haben, sind sie in der Regel groß, verwenden mehrere Sensoren und sind insofern komplex, als sie Optik-, Ingenieur- und Physikexperten benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Das bedeutet natürlich auch, dass die Instrumente sehr teuer sind.
Durch die Kombination von Fortschritten in der Nanotechnologie, den in Smartphones üblichen winzigen CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) und den Grundlagen der Funktionsweise des Bildverarbeitungssystems der Mantis-Garnele konnte das Team einen viel einfacheren Bildsensor herstellen. Der Sensor ist kleiner als ein Cent und sehr empfindlich. Er kann Krebszellen früher erkennen als frühere Versuche der polarisierten Bildgebung, wobei sowohl Standbilder als auch Videos verwendet werden. Laut Gruev hat sein Doktorand Timothy York, der Hauptautor der Zeitung, einen Großteil der Arbeit mit der Kamera und ihren möglichen medizinischen Anwendungen geleistet.
In diesem Endoskopiebild eines Mäusekolons zeigt der Sensor das Tumorgewebe in Blau, während das gesunde Gewebe in Gelb angezeigt wird. (IEEE) (IEEE) Zum Beispiel würde ein Arzt bei Darmkrebs normalerweise ein Endoskop verwenden, um nach krebsartig aussehendem Gewebe zu suchen, und dann eine Biopsie durchführen. Der Krebs muss sich jedoch in einem bestimmten Entwicklungsstadium befinden, bevor er für das menschliche Auge anders aussieht. Die polarisierte Bildgebung kann Krebszellen viel früher erkennen, aber frühere Bildgebungsgeräte waren zu groß, um auf diese Weise zuvor verwendet zu werden.
„Wir sind von mehreren Kameras auf eine Ein-Chip-Lösung umgestiegen“, sagt Gruev. „Es ist schwierig, mehrere Kameras an ein Endoskop anzuschließen und Bilder aufzunehmen. Bei unserem Gerät befinden sich alle Filter in der Kamera und es geht von etwas, das sich auf Ihrer optischen Bank befindet, zu einem, das sich am Ende eines Endoskops befindet. “
Die Kamera könnte den Bedarf an Biopsien drastisch reduzieren - aber bis die Technologie verfeinert ist, ist unklar, inwieweit dies der Fall sein wird.
Justin Marshall, ein Neurobiologe an der University of Queensland und einer der Autoren der Zeitung, brachte sein Fachwissen zu Mantis-Garnelen in das Projekt ein. Seit mehr als 25 Jahren untersucht er die Vision der Garnelen. Sowohl er als auch Gruev sind sich einig, dass eine der nächsten Herausforderungen darin bestehen wird, eine Möglichkeit zu finden, das traditionelle Farbsehen auch in den Sensor zu integrieren. Der Sensor kann derzeit Unterschiede in der Polarisation erkennen, jedoch nicht die Farben, die wir sehen. Dies ist ein Problem für Ärzte, die möglicherweise eines Tages diesen Sensortyp verwenden, da sie in der Regel visuelle Hinweise verwenden, um sie bei heiklen Eingriffen zu führen. Aber auch hier könnten Garnelen Abhilfe schaffen.
"[Mantis-Garnelen] scheinen sehr genau zu sein, wie sie Informationen sammeln, sowohl in Bezug auf die Farbe als auch in Bezug auf die Polarisierung", sagt Marshall. „Sie winken mit den Augen, um ihren Sensor über die Welt zu schieben, ein bisschen wie ein Satellitenscan. Möglicherweise gibt es einige Tricks, die wir auch ausleihen können. “
Marshall ist der Ansicht, dass der Sensor verwendet werden kann, um Patienten zuerst auf Darmkrebs zu untersuchen, da dies ein spezifischer Bereich ist, an dem sein Team gearbeitet hat und an dem die Größe und Komplexität anderer polarisierter Bildkameras in der Vergangenheit ein Problem darstellte. In Australien, wo bereits zwei von drei Menschen vor dem 70. Lebensjahr an Hautkrebs erkrankt sind, werden bereits einfachere Polarisationsbereiche verwendet. Die Forscher experimentieren auch mit polarisiertem Licht, um den Gewebekontrast zu erhöhen und den Ärzten dabei zu helfen, den richtigen Weg zu finden Starten und Beenden des Schneidens während der Operation.
Da der von Garnelen inspirierte Chip so kompakt und benutzerfreundlich ist, könnte die Technologie in tragbare Geräte und sogar Smartphones eindringen. In diesem Fall könnten sich die Menschen eines Tages selbst auf Krebs überwachen und die Belastung der überlasteten Gesundheitssysteme verringern, so Marshall.
Obwohl die polarisierte Bildgebungstechnologie ein großes Potenzial bietet, gibt Gruev zu bedenken, dass noch viel zu tun ist, sowohl bei der Integration der Farberkennung als auch bei der Feinabstimmung der Empfindlichkeit der Polarisationserkennung, um die Auflösung zu erhöhen und die Erkennung bei schwerwiegenden Problemen noch zu verbessern Krankheiten früh.
"Wir kratzen nur an der Oberfläche, wie wir die Biologie betrachten und Bildgebungssysteme konstruieren können, die bei der Diagnose von Krebs und anderen Krankheiten helfen können", sagt er.
