可見光也能「透視」肉身

原標題：可見光也能「透視」肉身

　　科學家意圖把天文光學技術用於活體組織透視

　　你可能會說我的想法很瘋狂，但我認為，我們最終會運用光學技術進行整個身體器官成像。

　　圖片來源：Viktor Koen

　　聽起來似乎好得令人難以置信，Allard Mosk說。2007年，身為荷蘭恩斯赫德特文特大學教授的他和自己團隊裡的一名學生Ivo Vellekoop一起工作時，用一束可見光穿透了一面「固體牆」——表面覆蓋著白色油漆的玻璃滑片——然後讓這些光聚焦在滑片的另一邊。當時他們對於如何應用這一現象並沒有產生確切的想法。「我只是想試一試，因為之前從沒有人這樣做過。」Mosk說。可以說，當時兩位研究人員頭腦中除了一個模糊的影子，並沒有其他的想法。

　　然而，實驗結果表明，他們在滑片上打出的光比他們設想的要亮100倍。「這樣的好運不會一開始就撞上。」Mosk吃驚地說。「我們想可能是發生了錯誤，玻璃滑片上一定有一個孔讓光通過。」

　　事實上，滑片上沒有任何孔。而他們的實驗也成為兩項開啟「透視」不透明物質的獨立性實驗的第一項。到目前為止，這項工作仍處於實驗室試驗階段。但相關進展非常迅速，研究人員現已設法對一些薄的身體組織，如老鼠耳朵等進行優質成像，而且不斷進行深入研究。如果他們可以戰勝許多棘手的挑戰，如找到應對活動或是伸展組織的方法，就會推動其潛在應用。比如，如果可以利用從身體組織深層獲得的可見光影像，將不再需要侵入性的活體組織檢查；或者可以在不進行外科手術的情況下，用雷射集中治療大腦動脈瘤等不宜手術的腫瘤。

　　「10年前，我們甚至難以想像利用光學對身體組織進行精度為1釐米的高解析度影像成像，但現在這些已經成為事實。」美國密蘇裡州聖路易斯華盛頓大學生物工程學家Lihong Wang說，「你可能會說我的想法很瘋狂，但我認為，我們最終會用光學技術進行整個身體器官成像。」

　　兩大難題

　　目前，已經可以用X光和超聲波窺探到身體內部，但如果和可見光可獲得的影像相比，這些手段獲取的影像都過於粗糙。Wang表示，部分是因為可見光影像傾向於擁有更高的解析度。但另外也因為光的波長與有機分子的相互作用更強，因此它反映出的光，荷載著生物化學變化、細胞異常和血液葡萄糖、氧氣含量等信息。

　　然而，相互作用也會讓可見光發生散射與吸收。吸收會破壞每一次成像：由於光子被材料吸收，它們收集的信息也會丟失。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，因為光子會彈跳著通過它們直到被完全置亂。但這些光子沒有丟失——因此在原則上，這種置亂是可逆的、可以倒退的。

　　天文學家已經用一種叫作自適應光學的技術解決了一種散光問題，這讓他們可以恢復散射光進入大氣層造成的恆星、行星和星系變形。其基本思路是從一顆明亮的恆星參照系收集光，並用一個算術計算大氣如何讓這些點狀的天體和天體系統變形。這個算術事實上控制著一個特殊的「可變形」的鏡子，可以取消大氣扭曲，讓「吉他」形狀恢復成原點，同時把其他遠距離天體帶入視線聚焦範圍之內。

　　不幸的是，這種技術很難在生物體內使用。針對深層生物組織的方法不同於光線射向恆星的方式——它們必須從外部照進來——散射體比大氣層中的光的密集度高得多。「你需要一個等值的擁有上百億活動部件的可變形鏡子，以補償一個雞蛋殼產生的散射。」法國巴黎勞厄·朗之萬研究所光物理學家Ori Katz說。這就是Mosk和Vellekoop開始時沒有成功的原因。

　　充沛的光源

　　但是，二人依然從技術進步中獲得啟發。

　　他們採用了一種「空間光調製器」：一個與LCD智慧型手機類似的設備，可以控制一束雷射不同部分的傳播。他們通過調製器給雷射點火，使其朝向塗了油漆的滑片，並把一個探測設備放在滑片的一旁，用一個電腦去監視探測設備收集到多少光。然而，計算機加上或是減掉調製器的每個像素的延遲，觀察當雷射通過滑片時，哪些改變會讓其散射最小化。實質上，它試圖在讓進入的光源產生扭曲，而不透明的屏障會讓這些光完全通不過。Mosk 和Vellekoop連續計算了一個多小時，然後得到了一個完全超出期待的結果：聚焦的光的強度是背景信號強度的1000倍。

　　「Mosk的研究讓人大開眼界。」Katz說，「它改變了光學可以適用的範圍模式。」

　　很快，在獲得成功之後，Mosk了解到帕薩那地市加州理工學院的Changhuei Yang與其團隊也進行了相似的工作。這些研究人員使用了一種不同的技術來聚焦散射的光源，也採用了一種不同的不透明物質：一片雞胸薄片。但是該團隊實現這種技術的容易程度也同樣讓他們感到吃驚。「此前我認為，可能要在這項研究上花費6個月，如果不成功，我們打算把它作為一次學習的經歷。」Yang說，「但實際上它並沒有那麼難。」

　　當這兩篇文章發表後，隨著其他物理學家的迅速介入，該領域研究一時呈現出爆炸式增長。其中之一是光物理學家Jacopo Bertolotti，他在2010年加入Mosk的工作團隊。現在英國埃克塞特大學工作的Bertolotti表示，他是受到「這項實驗的動人之處」和它展現出的醫療成像潛力的吸引，但是他表示，實現這一目標依然有很長的距離要走。

　　組織內成像的障礙

　　Bertolotti面臨的首個問題是，Mosk最早建立的模型需要在不透明的表面後面置放一個攝像機。這對於醫療應用來說是個挑戰，因為在皮膚下埋攝像機就要動手術，這可能是入侵式的，存在一定風險。然而，2012年，Bertolotti、Mosk與同事設計了一種把雷射源和探測設備放置在滑片前的方法。

　　他們的目標是一個厚度僅有50微米的螢光希臘字母π，字母被隱藏在一層不透明薄片之後。在此情況下，其目標是和一個細胞的體積約莫同樣大小，類似於向活體組織注射螢光染料幫助成像的醫療技術。當雷射打開後，光子會跳躍著通過屏幕，並使螢光字母π產生一種漫射照明。反射自該字母的光會通過屏幕，並在屏幕的另一面產生模糊的斑點圖案。就像試圖透過淋雨的帘子看見背後的形象那樣。

　　然而，這個字母的形狀依然處於散射光的編碼背景中。為了恢復其形狀，該團隊記錄了斑點模型，把雷射移動到不同的角度進行照射，然後記錄這些新斑點。通過多次重複這一過程，以及點對點地對比這一模型，計算機可以計算出這些模型之間如何關聯，並基於此，進行逆向運算，以重新恢復隱藏的字母π。

　　Bertolotti表示，這是目前已經取得的進展，但卻依然不夠理想。「它只能在要成像的物體位於散射介質背面時起作用。」他說。對於很多醫療應用來說，如觀察大腦內部或是血管內部，目標都埋在組織內部。

　　目前，散射介質內部成像的挑戰已有多個研究組在嘗試解決這一問題，包括Yang和Wang的團隊。例如，2013年，Yang的團隊通過前所未有的像素獲得了這種技能，該團隊通過挑選一種直徑僅有1微米的螢光微球，並把它們放在兩片不透明人工薄片之間。

　　然而，這種技術距離觀察深層活體組織尚需很長的路要走，而且提出了更為嚴重的另一個挑戰：由於血液流動與呼吸作用，它們經常處於移動之中。去年，一個由巴黎卡斯特勒·布羅塞爾實驗室物理學家Sylvain Giga領導的團隊證明了一種僅用單象攝影機重新恢復隱藏物體的影像的方法。「當你看見算法融合的最終影像結果時，會感覺有點兒像變魔術。」

　　研究人員表示，實現成像目標，速度是關鍵。現在，研究人員仍對光學成像的相關潛在應用興趣十足，相關研究也在如火如荼地展開著。（紅楓）