作者:红枫 来源:中国科学报 发布时间:2015/2/16 11:29:57
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可见光也能“透视”肉身
科学家欲把天文光学技术用于活体组织透视

 

你可能会说我的想法很疯狂,但我认为,我们最终会运用光学技术进行整个身体器官成像。

图片来源:Viktor Koen

听起来似乎好得令人难以置信,Allard Mosk说。2007年,身为荷兰恩斯赫德特文特大学教授的他和自己团队里的一名学生Ivo Vellekoop一起工作时,用一束可见光穿透了一面“固体墙”——表面覆盖着白色油漆的玻璃滑片——然后让这些光聚焦在滑片的另一边。当时他们对于如何应用这一现象并没有产生确切的想法。“我只是想试一试,因为之前从没有人这样做过。”Mosk说。可以说,当时两位研究人员头脑中除了一个模糊的影子,并没有其他的想法。

然而,实验结果表明,他们在滑片上打出的光比他们设想的要亮100倍。“这样的好运不会一开始就撞上。”Mosk吃惊地说。“我们想可能是发生了错误,玻璃滑片上一定有一个孔让光通过。”

事实上,滑片上没有任何孔。而他们的实验也成为两项开启“透视”不透明物质的独立性实验的第一项。到目前为止,这项工作仍处于实验室试验阶段。但相关进展非常迅速,研究人员现已设法对一些薄的身体组织,如老鼠耳朵等进行优质成像,而且不断进行深入研究。如果他们可以战胜许多棘手的挑战,如找到应对活动或是伸展组织的方法,就会推动其潜在应用。比如,如果可以利用从身体组织深层获得的可见光影像,将不再需要侵入性的活体组织检查;或者可以在不进行外科手术的情况下,用激光集中治疗大脑动脉瘤等不宜手术的肿瘤。

“10年前,我们甚至难以想象利用光学对身体组织进行精度为1厘米的高分辨率影像成像,但现在这些已经成为事实。”美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学生物工程学家Lihong Wang说,“你可能会说我的想法很疯狂,但我认为,我们最终会用光学技术进行整个身体器官成像。”

两大难题

目前,已经可以用X光和超声波窥探到身体内部,但如果和可见光可获得的影像相比,这些手段获取的影像都过于粗糙。Wang表示,部分是因为可见光影像倾向于拥有更高的分辨率。但另外也因为光的波长与有机分子的相互作用更强,因此它反映出的光,荷载着生物化学变化、细胞异常和血液葡萄糖、氧气含量等信息。

然而,相互作用也会让可见光发生散射与吸收。吸收会破坏每一次成像:由于光子被材料吸收,它们收集的信息也会丢失。然而,散射仍然保存着一线希望,很多材料如皮肤、白色油漆或雾,都是“不透明”的,因为光子会弹跳着通过它们直到被完全置乱。但这些光子没有丢失——因此在原则上,这种置乱是可逆的、可以倒退的。

天文学家已经用一种叫作自适应光学的技术解决了一种散光问题,这让他们可以恢复散射光进入大气层造成的恒星、行星和星系变形。其基本思路是从一颗明亮的恒星参照系收集光,并用一个算术计算大气如何让这些点状的天体和天体系统变形。这个算术事实上控制着一个特殊的“可变形”的镜子,可以取消大气扭曲,让“吉他”形状恢复成原点,同时把其他远距离天体带入视线聚焦范围之内。

不幸的是,这种技术很难在生物体内使用。针对深层生物组织的方法不同于光线射向恒星的方式——它们必须从外部照进来——散射体比大气层中的光的密集度高得多。“你需要一个等值的拥有上百亿活动部件的可变形镜子,以补偿一个鸡蛋壳产生的散射。”法国巴黎劳厄·朗之万研究所光物理学家Ori Katz说。这就是Mosk和Vellekoop开始时没有成功的原因。

充沛的光源

但是,二人依然从技术进步中获得启发。

他们采用了一种“空间光调制器”:一个与LCD智能手机类似的设备,可以控制一束激光不同部分的传播。他们通过调制器给激光点火,使其朝向涂了油漆的滑片,并把一个探测设备放在滑片的一旁,用一个电脑去监视探测设备收集到多少光。然而,计算机加上或是减掉调制器的每个像素的延迟,观察当激光通过滑片时,哪些改变会让其散射最小化。实质上,它试图在让进入的光源产生扭曲,而不透明的屏障会让这些光完全通不过。Mosk 和Vellekoop连续计算了一个多小时,然后得到了一个完全超出期待的结果:聚焦的光的强度是背景信号强度的1000倍。

“Mosk的研究让人大开眼界。”Katz说,“它改变了光学可以适用的范围模式。”

很快,在获得成功之后,Mosk了解到帕萨那地市加州理工学院的Changhuei Yang与其团队也进行了相似的工作。这些研究人员使用了一种不同的技术来聚焦散射的光源,也采用了一种不同的不透明物质:一片鸡胸薄片。但是该团队实现这种技术的容易程度也同样让他们感到吃惊。“此前我认为,可能要在这项研究上花费6个月,如果不成功,我们打算把它作为一次学习的经历。”Yang说,“但实际上它并没有那么难。”

当这两篇文章发表后,随着其他物理学家的迅速介入,该领域研究一时呈现出爆炸式增长。其中之一是光物理学家Jacopo Bertolotti,他在2010年加入Mosk的工作团队。现在英国埃克塞特大学工作的Bertolotti表示,他是受到“这项实验的动人之处”和它展现出的医疗成像潜力的吸引,但是他表示,实现这一目标依然有很长的距离要走。

组织内成像的障碍

Bertolotti面临的首个问题是,Mosk最早建立的模型需要在不透明的表面后面置放一个摄像机。这对于医疗应用来说是个挑战,因为在皮肤下埋摄像机就要动手术,这可能是入侵式的,存在一定风险。然而,2012年,Bertolotti、Mosk与同事设计了一种把激光源和探测设备放置在滑片前的方法。

他们的目标是一个厚度仅有50微米的荧光希腊字母π,字母被隐藏在一层不透明薄片之后。在此情况下,其目标是和一个细胞的体积约莫同样大小,类似于向活体组织注射荧光染料帮助成像的医疗技术。当激光打开后,光子会跳跃着通过屏幕,并使荧光字母π产生一种漫射照明。反射自该字母的光会通过屏幕,并在屏幕的另一面产生模糊的斑点图案。就像试图透过淋雨的帘子看见背后的形象那样。

然而,这个字母的形状依然处于散射光的编码背景中。为了恢复其形状,该团队记录了斑点模型,把激光移动到不同的角度进行照射,然后记录这些新斑点。通过多次重复这一过程,以及点对点地对比这一模型,计算机可以计算出这些模型之间如何关联,并基于此,进行逆向运算,以重新恢复隐藏的字母π。

Bertolotti表示,这是目前已经取得的进展,但却依然不够理想。“它只能在要成像的物体位于散射介质背面时起作用。”他说。对于很多医疗应用来说,如观察大脑内部或是血管内部,目标都埋在组织内部。

目前,散射介质内部成像的挑战已有多个研究组在尝试解决这一问题,包括Yang和Wang的团队。例如,2013年,Yang的团队通过前所未有的像素获得了这种技能,该团队通过挑选一种直径仅有1微米的荧光微球,并把它们放在两片不透明人工薄片之间。

然而,这种技术距离观察深层活体组织尚需很长的路要走,而且提出了更为严重的另一个挑战:由于血液流动与呼吸作用,它们经常处于移动之中。去年,一个由巴黎卡斯特勒·布罗塞尔实验室物理学家Sylvain Giga领导的团队证明了一种仅用单象摄影机重新恢复隐藏物体的影像的方法。“当你看见算法融合的最终影像结果时,会感觉有点儿像变魔术。”

研究人员表示,实现成像目标,速度是关键。现在,研究人员仍对光学成像的相关潜在应用兴趣十足,相关研究也在如火如荼地展开着。(红枫)

《中国科学报》 (2015-02-16 第3版 国际)
 
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