撰文：澤亞·梅拉利（Zeeya Merali）

本文作者?澤亞·梅拉利是英國倫敦的一位自由科學(xué)撰稿人。

翻譯：張國文

解析散射光

目前，我們可以使用X射線和超聲波對人體進(jìn)行透視。但如果能使用可見光成像的話，獲得的圖像精度就會超過X射線和超聲波成像。這是因為可見光圖像一般有更高的分辨率，同時它與有機(jī)分子間的相互作用更強(qiáng)，能夠攜帶體內(nèi)生物化學(xué)變化、細(xì)胞異常、血糖濃度、血氧含量等各種信息。

然而，這些相互作用也會讓可見光被散射和吸收。盡管光線被吸收后無法成像，但散射仍為成像保留了一絲希望。皮膚、白色油漆及霧等材料都是“不透明”的，光子穿過它們的時候會被彈來彈去，最后被攪得亂成一團(tuán)。但這些光子并沒有丟失，因此從原則上說，這個混雜光場是可以進(jìn)行逆向分解的。

天文學(xué)家已經(jīng)在用一種名為自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)解決另一種散射問題。他們用這種技術(shù)消除了大氣散射給恒星、行星和星系的照片造成的畸變。其基本思路是：選擇一顆明亮的參考星，讓望遠(yuǎn)鏡收集來自參考星的光線，并采用一種算法來計算大氣是怎樣讓恒星的點狀像模糊和變形的。這種算法隨后會控制一塊特殊的“可變形”鏡片從而抵消掉大氣導(dǎo)致的圖像畸變。這樣，參考星在望遠(yuǎn)鏡中的成像就會由模糊的光斑變成一個點，望遠(yuǎn)鏡真正的目標(biāo)天體的像也會變得更加清晰。

但這種技術(shù)很難應(yīng)用于生物體內(nèi)。生物組織深處的觀察目標(biāo)并不像恒星那樣可以發(fā)光，它們必須得到外部的照明才能成像，而且生物組織中的散射體也比大氣中的稠密得多。不過，技術(shù)的飛速進(jìn)步讓研究人員備受鼓舞。

荷蘭特文特大學(xué)的阿拉德·莫斯克教授和他的學(xué)生伊福·韋勒庫普在實驗中使用了一個“空間光調(diào)制器”，這是一個與智能手機(jī)液晶顯示屏類似的裝置，能夠控制激光束不同部分的傳輸延遲。他們用經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制的光束照射涂有油漆的載玻片，并且在載玻片的另一面放置一個探測器，用計算機(jī)監(jiān)測探測器收集到了多少光。然后通過電腦控制調(diào)制器增減每個像素的延遲量，通過反復(fù)試錯來確定當(dāng)延遲數(shù)值多大時，激光束經(jīng)過載玻片的散射最小。經(jīng)過連續(xù)計算，莫斯克和韋勒庫普得到了一個完全超出期待的結(jié)果——一個比背景信號亮1000倍的光點。

隨后，該研究領(lǐng)域開始迅猛發(fā)展。2010年加入莫斯克團(tuán)隊的光物理學(xué)家雅各布·貝爾托洛蒂發(fā)現(xiàn)，在莫斯克最初的實驗中，攝像機(jī)是放置于不透明物體背后的，這并不適用于醫(yī)療領(lǐng)域，因為在表皮下植入一個攝像頭是需要動手術(shù)的，但這種侵入性的手術(shù)存在風(fēng)險。2012年，貝爾托洛蒂、莫斯克和同事設(shè)計出了一種把激光光源和探測器都放在物體前面的方法。他們的目標(biāo)是一個用熒光材料制成的希臘字母π。這個邊長只有50微米的字母隱藏在一塊不透明隔板之后，大概相當(dāng)于一個細(xì)胞的大小。這種情況類似于向活體組織注射熒光染料幫助成像的醫(yī)療技術(shù)。開啟激光后，光子經(jīng)反復(fù)散射穿過隔板，光束變成了彌散光后照亮熒光字母π，光從字母上反射回來再次穿過隔板，在隔板這一邊產(chǎn)生模糊的散斑圖案，就像是試圖透過浴簾看這個字母符號。

不過，這個字母的形狀信息依然隱藏在散射光中。為了從中恢復(fù)信息，該團(tuán)隊記錄下了散斑圖案，然后移動激光光源，讓其從不同的角度照射，再記錄下新的散斑圖。多次重復(fù)這一過程并逐個比較不同角度產(chǎn)生的圖案，計算機(jī)就可以計算出這些圖案之間是如何關(guān)聯(lián)的。再據(jù)此進(jìn)行逆向運(yùn)算，就能重構(gòu)出字母π的圖像。

貝爾托洛蒂表示，這一研究是個進(jìn)步，但依然不夠理想：“當(dāng)要成像的物體位于散射介質(zhì)的另一側(cè)時，這種方法才有用。”而在透視大腦內(nèi)部或血管內(nèi)部等很多醫(yī)療應(yīng)用中，目標(biāo)都是埋在身體組織里面的。

 

透視組織內(nèi)部

目前，已有多個研究團(tuán)隊在嘗試解決散射介質(zhì)內(nèi)部成像這一難題。2013年，加州理工學(xué)院的生物工程學(xué)家楊長輝及團(tuán)隊以前所未有的分辨率實現(xiàn)了一項壯舉，他們分辨出了夾在兩層人造不透明介質(zhì)之間且直徑僅有1微米的熒光球。

然而這種技術(shù)距離透視深層活體組織還有很長的路要走。實現(xiàn)這樣的應(yīng)用還面臨著另一個難度更大的挑戰(zhàn)：由于血液流動與呼吸作用，身體組織總是在移動，而此類技術(shù)僅適用于散射介質(zhì)完全靜止的情況。現(xiàn)在多數(shù)研究團(tuán)隊都大幅縮短了透視成像所需的時間，從莫斯克團(tuán)隊最初所需的約1個小時縮短到了幾十秒。盡管這對于小珠或字母π成像已經(jīng)足夠好了，但對于體內(nèi)的腫瘤成像來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

由巴黎卡斯特勒·布羅塞爾實驗室的物理學(xué)家西爾萬·吉加領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在去年展示了一種僅用一張快照就可重構(gòu)出隱藏物體圖像的方法。吉加說：“當(dāng)你看到算法重構(gòu)出的最終圖像時，你會覺得有點像變魔術(shù)。”貝爾托洛蒂認(rèn)為，每種方法都各有其優(yōu)缺點，截至今日，還沒有哪種成像方法能脫穎而出：“與其尋找一種能應(yīng)對所有問題的完美技術(shù)，不如開發(fā)能整合到同一臺設(shè)備上的一系列技術(shù)。”

這項由生物工程師和醫(yī)學(xué)物理學(xué)家開創(chuàng)的技術(shù)也可應(yīng)用到許多其他領(lǐng)域。莫斯克認(rèn)為這種技術(shù)可以用于藝術(shù)品修復(fù)。他說：“大部分畫家作畫時，都是把顏料逐層覆蓋上去的，底下的顏料層也會在物理和化學(xué)層面影響整幅畫的老化。如果想保護(hù)畫作，了解里面的顏料層是什么也很重要。”此外，由于這類方法實際上相當(dāng)于逆轉(zhuǎn)了光的散射，也可以幫助通信行業(yè)解析因光的散射而產(chǎn)生的光纖噪聲。這種技術(shù)同樣適用于軍事領(lǐng)域。士兵可以利用該技術(shù)透過便攜的屏障觀察前方，這種屏障可以是一塊盾牌，也可以是一團(tuán)噴射出的云霧。 芬克說：“這和隱形的效果有些類似，但又有不同：對方看不到你，你卻能看到他們。”

 

本文由《環(huán)球科學(xué)》（《科學(xué)美國人》中文版）供稿，編者有刪改。

 

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用可見光透視人體的“超級視覺”

圖文簡介

如果能使用可見光成像的話，獲得的圖像精度就會超過X射線和超聲波成像。