科学家欲把天文光学技术用于活体组织透视
时间:2017-12-07

  科学家希望利用天文光学技术进行活检 - 新闻 - 科学网

  你可能会说我的想法很疯狂,但我想我们最终会用光学来塑造整个身体器官。

  图片来源:Viktor Koen

  听起来不可思议,阿拉德莫斯克说。在2007年,他和他的团队的学生Ivo Vellekoop一起在荷兰Enschede Teutre大学任教,他用一束可见光穿透白色油漆玻璃载玻片,然后将光线聚焦在另一侧的幻灯片。当时,他们并没有就如何应用这一现象提出确切的想法。我只是想试试看,因为之前没有人做过。 Mosk说。可以说,除了当时两位研究者脑海中的模糊阴影,没有别的思想。

  然而,实验结果表明,他们在幻灯片上播放的光比他们想象的多100倍。这样的好运并没有打到一开始。莫斯克惊讶地说。我们认为有可能是错的,而且玻璃杯上必须有一个洞,让光线通过。

  事实上,叶片上没有孔。他们的实验成为开启不透明材料独立性的两个实验中的第一个。到目前为止,这项工作还处于实验室测试阶段。但是现在进展很快,研究人员正在试图对一些像耳老鼠这样的瘦身组织进行良好的成像,并且继续做更多的研究。如果他们能够克服许多棘手的挑战,例如寻找应对方式或伸张自己的组织,他们就会推动他们的潜在应用。例如,如果可以从身体组织深入的可见光图像可用,则不再需要侵入式活检,或者可以在不进行手术的情况下集中治疗诸如脑动脉瘤的激光。

  十年前,使用光学元件以1厘米的分辨率对身体组织的高分辨率图像进行成像甚至是不可想象的,但现在已经成为现实。密苏里州圣路易斯华盛顿大学的生物工程师王丽红说,你可能会说我的想法很疯狂,但我想最终我们会用光学来做全身器官成像。

  两大问题

  目前,X射线和超声波可以用来窥探身体内部,但是这些方法所获得的图像与可见光图像相比太粗糙了。部分原因是可见光图像具有更高的分辨率的趋势,王说。而且还因为光的波长与有机分子的相互作用更强烈,它反射了生化变化的光,细胞异常和血糖,氧含量等信息。

  但是,相互作用也会导致可见光散射和吸收。吸收可以破坏每一个成像:由于光子被材料吸收,他们收集的信息也丢失。然而,散射仍然有承诺,许多材料,如皮肤,白色油漆,或雾,是不透明的,因为光子弹跳,直到他们完全中断。但是这些光子不会丢失,原则上这种紊乱是可逆的,可以逆转。

  天文学家已经使用了一种称为自适应光学的技术来解决散光问题,使他们能够通过将光散射到大气中来恢复恒星,行星和星系。其基本思想是从明亮的恒星参照系中收集光线,并使用算术算法来计算大气如何扭曲这些点状物体和天体。这个算术实际上控制了一个特殊的可变形的镜子,它消除了大气的变形,把吉他的形状恢复到原点,并将其他远处的物体带入了视线焦点。

  不幸的是,这种技术很难用于生物体。深部生物组织的方法不同于光照星星的方式,它们必须从外部照亮,而散射体比大气中的光更密集。你需要一个具有数十亿移动部件的等效变形镜来补偿蛋壳的散射。法国巴黎老盖万研究所的光学物理学家Ori Katz说。这就是为什么Mosk和Vellekoop一开始就没有成功。

  充足的光线

  但是,这两者仍然受到技术进步的启发。

  他们使用了一种空间光调制器:一种类似于LCD智能手机的装置,用于控制激光束不同部分的传播。他们通过调制器将激光发射到涂漆的叶片上,并在叶片上放置探测装置,并使用计算机来监测探测装置收集的光量。然而,计算机增加或减少调制器的每个像素的延迟,以查看当激光通过滑动器时,其变化将使其散射最小化。本质上,它试图扭曲入射光线,而不透明的障碍物使其完全不能触及。 Mosk和Vellekoop连续计算了一个多小时,然后得到了一个完全超出预期的结果:聚焦光的强度是背景信号强度的1000倍。

  莫斯克的研究是令人大开眼界,卡茨说,它改变了光学可以使用的模式的范围。

  不久之后,莫斯克了解到帕萨库那加州理工学院的杨常惠与他的团队也进行了类似的工作。研究人员使用不同的技术专注于散射光源,但也采取了不同的不透明物质:一片鸡胸肉。但是这个团队也让他们惊讶于技术的完成是多么容易。早些时候,我想我可能会花六个月的时间学习,如果没有的话,我们打算把它作为一个学习的经验。杨说,但实际上并不难。

  当这两篇文章发表时,这个领域的研究在其他物理学家的迅速介入下呈现爆发性的增长。其中之一是光物理学家Jacopo Bertolotti,他于2010年加入了Mosk的团队。现在在英国埃克塞特大学工作的Bertolotti说,他受到了这个实验的启发,并且对于医学成像的潜力很感兴趣。要实现这一目标还有很长的路要走。

  组织成像的障碍

  贝托洛蒂面临的第一个问题是,莫斯克最早建造的模型需要在不透明表面后面的相机。这对于医疗应用来说是一个挑战,因为将相机埋在皮肤下是一种可能侵入某些风险的操作。然而,2012年,Bertolotti,Mosk及其同事设计了一种将激光源和探测设备置于叶片前的方法。

  他们的目标是一个厚度只有50微米的荧光希腊字母,隐藏在不透明的纸张后面。在这种情况下,目标是与细胞的大小大致相同,类似于将荧光染料注入活组织以帮助成像的医疗技术。当激光打开时,光子跳过屏幕,并给荧光字母散射照明。从字母反射的光线穿过屏幕,在屏幕的另一侧产生模糊的斑驳图案。就像试图在雨中看到幕后的图像一样。

  然而,字母的形状仍然处于散射光编码的背景下,为了恢复其形状,团队记录了散斑模型,将激光移动到不同的角度进行照明,并记录新的斑点,通过重复该过程时间和点对点的模型进行比较,计算机计算模型如何相互关联,并在此基础上执行反向操作来恢复隐藏的字母。

  贝托洛蒂说,这是迄今为止取得的进展,但仍不尽如人意。只有当要成像的物体位于散射介质的背面时才起作用。他说。对于许多医疗应用,例如观察大脑内部或血管内部,目标被埋在组织内部。

  目前,散射介质内部成像的挑战已经被包括杨和王的团队在内的多个团队所探索,例如2013年,杨的团队通过拾取荧光微球获得了前所未有的像素数量直径只有1微米,并将它们放置在两个不透明的人造板之间。

  然而,这种技术还有很长一段路要观察更深的组织,并提出另一个更严重的挑战:他们经常因血流和呼吸而移动。去年,来自巴黎Castelletbuchler的实验室物理学家Sylvain Giga领导的团队证明了一种只用一台相机就能恢复隐藏物体图像的方法。当你看到最终的图像融合算法的结果时,会感觉有点像魔术。

  研究人员说,要实现成像目标,速度是关键。现在,研究人员仍然对光学成像的潜在应用感兴趣,相关研究也正在如火如荼的进行中。 (红枫树)

  中国科学通报(2015-02-16第3版国际)

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  自然报告(英文)