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用光学技术来成像全身器官。

资料来源:维克多·科恩

“这听起来非常好，”阿拉德·莫斯克说。2007年，当他与团队中的一名学生、荷兰恩斯赫德特文特大学的教授伊沃·韦勒库普(Ivo Vellekoop)一起工作时，他用一束可见光穿透了一面“实心墙”——一张表面涂有白色颜料的玻璃幻灯片——然后将光线聚焦在幻灯片的另一侧。当时，他们对如何应用这一现象没有任何明确的想法。“我只是想试一试，因为以前没人做过。”莫斯克说。可以说，在那个时候，这两位研究人员除了模糊的影子之外，没有别的想法。

然而，实验结果表明，他们击中滑块的光比他们预期的亮100倍。"这样的好运气不会一开始就碰上."莫斯克惊讶地说。“我们认为可能有错误。载玻片上必须有一个让光线通过的洞。”

事实上，幻灯片上没有洞。他们的实验也成为两个独立实验中第一个“看穿”不透明物质的实验。到目前为止，这项工作仍处于实验室测试阶段。然而，相关进展非常迅速。研究人员现在已经成功地对一些薄的身体组织进行了高质量的成像，如鼠耳，并继续进行深入的研究。如果他们能够克服许多棘手的挑战，例如找到应对活动或扩展组织的方法，他们将推广其潜在的应用。例如，如果可以使用从身体组织深层获得的可见光图像，将不再需要侵入性活检；或者，在不进行手术的情况下，激光可用于集中治疗不适合手术的肿瘤，如脑动脉瘤。

“10年前，我们甚至无法想象用光学成像1厘米高分辨率的身体组织，但现在这些已经成为现实。”密苏里州圣路易斯华盛顿大学的生物工程学家刘旺说:“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来成像全身器官。”

两个难题

目前，x光和超声波已经可以用来探查身体内部，但是如果与可见光获得的图像相比，通过这些方法获得的图像太粗糙了。王说，这部分是因为可见光图像往往具有更高的分辨率。但也因为光的波长和有机分子之间的相互作用更强，它反射的光携带了诸如生化变化、细胞异常和血糖及氧含量等信息。

然而，这种相互作用也会导致可见光被散射和吸收。吸收破坏了每个图像:当光子被物质吸收时，它们收集的信息就丢失了。然而，分散仍然有一线希望。许多材料，如皮肤、白色油漆或雾，都是“不透明的”，因为光子会通过它们反弹，直到它们被完全扰乱。但是这些光子不会丢失——所以原则上，这种扰乱是可逆的。

天文学家已经用一种叫做自适应光学的技术解决了散光问题，这种技术使他们能够恢复由于散射光进入大气层而导致的恒星、行星和星系的变形。基本思想是从明亮的恒星参照系收集光线，并使用一种算法来计算大气如何使这些点状天体和天体系统变形。这种算法实际上控制着一个特殊的“可变形”镜子，它可以消除大气失真，将“吉他”形状恢复到它的原点，并使其他遥远的天体聚焦。

不幸的是，这种技术很难在生物体内使用。接近深层生物组织的方法不同于光射向恒星的方式——它们必须从外部进入——散射体比大气中的光密度大得多。“你需要一个等效的可变形反射镜，它有数百亿个活动部件，以补偿蛋壳的散射。”法国巴黎劳厄·朗之万研究所的光物理学家奥利·卡茨说。这就是为什么莫斯克和韦乐库普一开始没有成功。

充足的光源

然而，他们仍然受到技术进步的鼓舞。

他们采用了“空间光调制器”:一种类似于液晶智能手机的设备，可以控制激光束不同部分的传播。他们通过一个调制器点燃激光，并把它引向画中的幻灯片。他们在载玻片旁边放置了一个检测装置，并使用计算机监控检测装置收集了多少光线。然而，计算机会增加或减少调制器每个像素的延迟，以观察哪些变化会使激光通过滑块时的散射最小化。本质上，它试图扭曲进入的光源，而不透明的屏障将使光完全通过。Mosk和Vellekoop连续计算了一个多小时，然后得到了一个完全出乎意料的结果:聚焦光的强度是背景信号强度的1000倍。

"莫斯克的研究令人大开眼界。"卡茨说，“它改变了光学可以应用的距离模式。”

成功后不久，莫斯克得知帕萨迪纳加州理工学院的杨昌辉和他的团队也做了类似的工作。研究人员使用了不同的技术来聚焦散射光源和不同的不透明物质:鸡胸肉片。但他们同样对团队轻松实施这项技术感到惊讶。“之前我以为做这项研究可能需要6个月。如果它不成功，我们打算将它作为一种学习体验。”杨说，"但实际上并没有那么难。"

这两篇文章发表后，在其他物理学家的迅速介入下，这一领域的研究一度呈现爆炸性增长。其中之一是光学物理学家雅格布·贝尔托罗蒂，他于2010年加入了莫克的团队。目前在英国埃克塞特大学工作的伯托罗蒂说，他被“这个实验的美妙之处”和它所展示的医学成像潜力所吸引，但是他说要实现这个目标还有很长的路要走。

组织成像的障碍

伯托罗蒂面临的第一个问题是，莫斯克最早的模型需要在不透明的表面后面安装一个摄像头。这对于医疗应用来说是一个挑战，因为在皮肤下植入一个摄像头需要手术，这可能是侵入性的并且有一定的风险。然而，在2012年，Bertolotti、Mosk和他们的同事设计了一种方法，将激光源和检测设备放置在载玻片的前面。

他们的目标是一个厚度只有50微米的荧光希腊字母π，藏在一张不透明的纸后面。在这种情况下，目标的大小与细胞的体积大致相同，类似于将荧光染料注入活体组织以帮助成像的医学技术。当激光器打开时，光子会穿过屏幕，使荧光字母π产生漫射照明。字母反射的光将穿过屏幕，在屏幕的另一侧产生模糊的斑点图案。就像在雨中试图透过窗帘看到后面的影像。

然而，这封信的形状仍然在散射光的编码背景中。为了恢复它的形状，研究小组记录了斑点模型，将激光移动到不同的角度进行照射，然后记录新的斑点。通过多次重复这一过程并逐点比较这一模型，计算机可以计算出这些模型是如何相关的，并在此基础上执行反向操作以恢复隐藏的字母π。

贝尔托罗蒂说，这是迄今取得的进展，但仍不理想。"只有当要成像的物体位于散射介质的背面时，它才能工作。"他说。对于许多医学应用，例如观察大脑或血管内部，目标被埋在组织内部。

目前，包括杨和王的团队在内的许多研究小组正在努力解决散射介质内部成像的挑战。例如，杨的团队在2013年通过前所未有的像素获得了这项技能，他们选择了一个直径只有1微米的荧光微球，并将它放在两个不透明的人造薄片之间。

然而，这项技术在观察深层生物组织方面仍有很长的路要走，并带来了另一个更严重的挑战:它们经常由于血流和呼吸而运动。去年，由巴黎卡斯特勒·布罗塞尔实验室的物理学家西尔万·吉加(Sylvain Giga)领导的一个团队展示了一种只用一台图像相机就能恢复隐藏物体图像的方法。"当你看到算法融合的最终图像结果时，感觉有点像魔术."

研究人员表示，速度是实现成像目标的关键。目前，研究人员对光学成像的潜在应用仍然充满兴趣，相关研究也在如火如荼地进行。(红枫)

《中国科学日报》(2015年2月16日，第三版国际版)

阅读更多

《自然》杂志的相关报道