“你可能會(huì)說(shuō)我的想法很瘋狂，但我認(rèn)為，我們最終會(huì)運(yùn)用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行整個(gè)身體器官成像。”
聽(tīng)起來(lái)似乎好得令人難以置信，AllardMosk說(shuō)。2007年，身為荷蘭恩斯赫德特文特大學(xué)教授的他和自己團(tuán)隊(duì)里的一名學(xué)生IvoVellekoop一起工作時(shí)，用一束可見(jiàn)光穿透了一面“固體墻”——表面覆蓋著白色油漆的玻璃滑片——然后讓這些光聚焦在滑片的另一邊。當(dāng)時(shí)他們對(duì)于如何應(yīng)用這一現(xiàn)象并沒(méi)有產(chǎn)生確切的想法。“我只是想試一試，因?yàn)橹皬臎](méi)有人這樣做過(guò)。”Mosk說(shuō)?？梢哉f(shuō)，當(dāng)時(shí)兩位研究人員頭腦中除了一個(gè)模糊的影子，并沒(méi)有其他的想法。
然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，他們?cè)诨洗虺龅墓獗人麄冊(cè)O(shè)想的要亮100倍。“這樣的好運(yùn)不會(huì)一開(kāi)始就撞上。”Mosk吃驚地說(shuō)。“我們想可能是發(fā)生了錯(cuò)誤，玻璃滑片上一定有一個(gè)孔讓光通過(guò)。”
事實(shí)上，滑片上沒(méi)有任何孔。而他們的實(shí)驗(yàn)也成為兩項(xiàng)開(kāi)啟“透視”不透明物質(zhì)的獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)的第一項(xiàng)。到目前為止，這項(xiàng)工作仍處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段。但相關(guān)進(jìn)展非常迅速，研究人員現(xiàn)已設(shè)法對(duì)一些薄的身體組織，如老鼠耳朵等進(jìn)行優(yōu)質(zhì)成像，而且不斷進(jìn)行深入研究。如果他們可以戰(zhàn)勝許多棘手的挑戰(zhàn)，如找到應(yīng)對(duì)活動(dòng)或是伸展組織的方法，就會(huì)推動(dòng)其潛在應(yīng)用。比如，如果可以利用從身體組織深層獲得的可見(jiàn)光影像，將不再需要侵入性的活體組織檢查；或者可以在不進(jìn)行外科手術(shù)的情況下，用激光集中治療大腦動(dòng)脈瘤等不宜手術(shù)的腫瘤。
“10年前，我們甚至難以想象利用光學(xué)對(duì)身體組織進(jìn)行精度為1厘米的高分辨率影像成像，但現(xiàn)在這些已經(jīng)成為事實(shí)。”美國(guó)密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)生物工程學(xué)家LihongWang說(shuō)，“你可能會(huì)說(shuō)我的想法很瘋狂，但我認(rèn)為，我們最終會(huì)用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行整個(gè)身體器官成像。”
兩大難題
目前，已經(jīng)可以用X光和超聲波窺探到身體內(nèi)部，但如果和可見(jiàn)光可獲得的影像相比，這些手段獲取的影像都過(guò)于粗糙。Wang表示，部分是因?yàn)榭梢?jiàn)光影像傾向于擁有更高的分辨率。但另外也因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)與有機(jī)分子的相互作用更強(qiáng)，因此它反映出的光，荷載著生物化學(xué)變化、細(xì)胞異常和血液葡萄糖、氧氣含量等信息。
然而，相互作用也會(huì)讓可見(jiàn)光發(fā)生散射與吸收。吸收會(huì)破壞每一次成像：由于光子被材料吸收，它們收集的信息也會(huì)丟失。然而，散射仍然保存著一線希望，很多材料如皮膚、白色油漆或霧，都是“不透明”的，因?yàn)楣庾訒?huì)彈跳著通過(guò)它們直到被完全置亂。但這些光子沒(méi)有丟失——因此在原則上，這種置亂是可逆的、可以倒退的。
天文學(xué)家已經(jīng)用一種叫作自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)解決了一種散光問(wèn)題，這讓他們可以恢復(fù)散射光進(jìn)入大氣層造成的恒星、行星和星系變形。其基本思路是從一顆明亮的恒星參照系收集光，并用一個(gè)算術(shù)計(jì)算大氣如何讓這些點(diǎn)狀的天體和天體系統(tǒng)變形。這個(gè)算術(shù)事實(shí)上控制著一個(gè)特殊的“可變形”的鏡子，可以取消大氣扭曲，讓“吉他”形狀恢復(fù)成原點(diǎn)，同時(shí)把其他遠(yuǎn)距離天體帶入視線聚焦范圍之內(nèi)。
不幸的是，這種技術(shù)很難在生物體內(nèi)使用。針對(duì)深層生物組織的方法不同于光線射向恒星的方式——它們必須從外部照進(jìn)來(lái)——散射體比大氣層中的光的密集度高得多。“你需要一個(gè)等值的擁有上百億活動(dòng)部件的可變形鏡子，以補(bǔ)償一個(gè)雞蛋殼產(chǎn)生的散射。”法國(guó)巴黎勞厄·朗之萬(wàn)研究所光物理學(xué)家OriKatz說(shuō)。這就是Mosk和Vellekoop開(kāi)始時(shí)沒(méi)有成功的原因。
充沛的光源
但是，二人依然從技術(shù)進(jìn)步中獲得啟發(fā)。
他們采用了一種“空間光調(diào)制器”：一個(gè)與LCD智能手機(jī)類(lèi)似的設(shè)備，可以控制一束激光不同部分的傳播。他們通過(guò)調(diào)制器給激光點(diǎn)火，使其朝向涂了油漆的滑片，并把一個(gè)探測(cè)設(shè)備放在滑片的一旁，用一個(gè)電腦去監(jiān)視探測(cè)設(shè)備收集到多少光。然而，計(jì)算機(jī)加上或是減掉調(diào)制器的每個(gè)像素的延遲，觀察當(dāng)激光通過(guò)滑片時(shí)，哪些改變會(huì)讓其散射最小化。實(shí)質(zhì)上，它試圖在讓進(jìn)入的光源產(chǎn)生扭曲，而不透明的屏障會(huì)讓這些光完全通不過(guò)。Mosk和Vellekoop連續(xù)計(jì)算了一個(gè)多小時(shí)，然后得到了一個(gè)完全超出期待的結(jié)果：聚焦的光的強(qiáng)度是背景信號(hào)強(qiáng)度的1000倍。
“Mosk的研究讓人大開(kāi)眼界。”Katz說(shuō)，“它改變了光學(xué)可以適用的范圍模式。”
很快，在獲得成功之后，Mosk了解到帕薩那地市加州理工學(xué)院的ChanghueiYang與其團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了相似的工作。這些研究人員使用了一種不同的技術(shù)來(lái)聚焦散射的光源，也采用了一種不同的不透明物質(zhì)：一片雞胸薄片。但是該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的容易程度也同樣讓他們感到吃驚。“此前我認(rèn)為，可能要在這項(xiàng)研究上花費(fèi)6個(gè)月，如果不成功，我們打算把它作為一次學(xué)習(xí)的經(jīng)歷。”Yang說(shuō)，“但實(shí)際上它并沒(méi)有那么難。”
當(dāng)這兩篇文章發(fā)表后，隨著其他物理學(xué)家的迅速介入，該領(lǐng)域研究一時(shí)呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)。其中之一是光物理學(xué)家JacopoBertolotti，他在2010年加入Mosk的工作團(tuán)隊(duì)?，F(xiàn)在英國(guó)?？巳卮髮W(xué)工作的Bertolotti表示，他是受到“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)人之處”和它展現(xiàn)出的醫(yī)療成像潛力的吸引，但是他表示，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)依然有很長(zhǎng)的距離要走。
組織內(nèi)成像的障礙
Bertolotti面臨的首個(gè)問(wèn)題是，Mosk最早建立的模型需要在不透明的表面后面置放一個(gè)攝像機(jī)。這對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谄つw下埋攝像機(jī)就要?jiǎng)邮中g(shù)，這可能是入侵式的，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。然而，2012年，Bertolotti、Mosk與同事設(shè)計(jì)了一種把激光源和探測(cè)設(shè)備放置在滑片前的方法。
他們的目標(biāo)是一個(gè)厚度僅有50微米的熒光希臘字母π，字母被隱藏在一層不透明薄片之后。在此情況下，其目標(biāo)是和一個(gè)細(xì)胞的體積約莫同樣大小，類(lèi)似于向活體組織注射熒光染料幫助成像的醫(yī)療技術(shù)。當(dāng)激光打開(kāi)后，光子會(huì)跳躍著通過(guò)屏幕，并使熒光字母π產(chǎn)生一種漫射照明。反射自該字母的光會(huì)通過(guò)屏幕，并在屏幕的另一面產(chǎn)生模糊的斑點(diǎn)圖案。就像試圖透過(guò)淋雨的簾子看見(jiàn)背后的形象那樣。
然而，這個(gè)字母的形狀依然處于散射光的編碼背景中。為了恢復(fù)其形狀，該團(tuán)隊(duì)記錄了斑點(diǎn)模型，把激光移動(dòng)到不同的角度進(jìn)行照射，然后記錄這些新斑點(diǎn)。通過(guò)多次重復(fù)這一過(guò)程，以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地對(duì)比這一模型，計(jì)算機(jī)可以計(jì)算出這些模型之間如何關(guān)聯(lián)，并基于此，進(jìn)行逆向運(yùn)算，以重新恢復(fù)隱藏的字母π。
Bertolotti表示，這是目前已經(jīng)取得的進(jìn)展，但卻依然不夠理想。“它只能在要成像的物體位于散射介質(zhì)背面時(shí)起作用。”他說(shuō)。對(duì)于很多醫(yī)療應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如觀察大腦內(nèi)部或是血管內(nèi)部，目標(biāo)都埋在組織內(nèi)部。
目前，散射介質(zhì)內(nèi)部成像的挑戰(zhàn)已有多個(gè)研究組在嘗試解決這一問(wèn)題，包括Yang和Wang的團(tuán)隊(duì)。例如，2013年，Yang的團(tuán)隊(duì)通過(guò)前所未有的像素獲得了這種技能，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)挑選一種直徑僅有1微米的熒光微球，并把它們放在兩片不透明人工薄片之間。
然而，這種技術(shù)距離觀察深層活體組織尚需很長(zhǎng)的路要走，而且提出了更為嚴(yán)重的另一個(gè)挑戰(zhàn)：由于血液流動(dòng)與呼吸作用，它們經(jīng)常處于移動(dòng)之中。去年，一個(gè)由巴黎卡斯特勒·布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家SylvainGiga領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)證明了一種僅用單象攝影機(jī)重新恢復(fù)隱藏物體的影像的方法。“當(dāng)你看見(jiàn)算法融合的最終影像結(jié)果時(shí)，會(huì)感覺(jué)有點(diǎn)兒像變魔術(shù)。”
研究人員表示，實(shí)現(xiàn)成像目標(biāo)，速度是關(guān)鍵?，F(xiàn)在，研究人員仍對(duì)光學(xué)成像的相關(guān)潛在應(yīng)用興趣十足，相關(guān)研究也在如火如荼地展開(kāi)著。
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