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疯狂idear!科学家欲用光学技术进行整个身体器官成像

导读: 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。

  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。

  听起来似乎好得令人难以置信,AllardMosk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IvoVellekoop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LihongWang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OriKatz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。”

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