用可見光透視人體的「超級視覺」

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解析散射光

目前，我們可以使用X射線和超聲波對人體進行透視。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解析度，同時它與有機分子間的相互作用更強，能夠攜帶體內生物化學變化、細胞異常、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。儘管光線被吸收後無法成像，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，最後被攪得亂成一團。但這些光子並沒有丟失，因此從原則上說，這個混雜光場是可以進行逆向分解的。

天文學家已經在用一種名為自適應光學的技術解決另一種散射問題。他們用這種技術消除了大氣散射給恆星、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，讓望遠鏡收集來自參考星的光線，並採用一種演算法來計算大氣是怎樣讓恆星的點狀像模糊和變形的。這種演算法隨後會控制一塊特殊的「可變形」鏡片從而抵消掉大氣導致的圖像畸變。這樣，參考星在望遠鏡中的成像就會由模糊的光斑變成一個點，望遠鏡真正的目標天體的像也會變得更加清晰。

但這種技術很難應用於生物體內。生物組織深處的觀察目標並不像恆星那樣可以發光，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，技術的飛速進步讓研究人員備受鼓舞。

荷蘭特文特大學的阿拉德·莫斯克教授和他的學生伊福·韋勒庫普在實驗中使用了一個「空間光調製器」，這是一個與智能手機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。他們用經過調製器調製的光束照射塗有油漆的載玻片，並且在載玻片的另一面放置一個探測器，用計算機監測探測器收集到了多少光。然後通過電腦控制調製器增減每個像素的延遲量，通過反覆試錯來確定當延遲數值多大時，激光束經過載玻片的散射最小。經過連續計算，莫斯克和韋勒庫普得到了一個完全超出期待的結果——一個比背景信號亮1000倍的光點。

隨後，該研究領域開始迅猛發展。2010年加入莫斯克團隊的光物理學家雅各布·貝爾托洛蒂發現，在莫斯克最初的實驗中，攝像機是放置於不透明物體背後的，這並不適用於醫療領域，因為在表皮下植入一個攝像頭是需要動手術的，但這種侵入性的手術存在風險。2012年，貝爾托洛蒂、莫斯克和同事設計出了一種把激光光源和探測器都放在物體前面的方法。他們的目標是一個用熒光材料製成的希臘字母π。這個邊長只有50微米的字母隱藏在一塊不透明隔板之後，大概相當於一個細胞的大小。這種情況類似於向活體組織注射熒光染料幫助成像的醫療技術。開啟激光後，光子經反覆散射穿過隔板，光束變成了彌散光後照亮熒光字母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。為了從中恢複信息，該團隊記錄下了散斑圖案，然後移動激光光源，讓其從不同的角度照射，再記錄下新的散斑圖。多次重複這一過程並逐個比較不同角度產生的圖案，計算機就可以計算出這些圖案之間是如何關聯的。再據此進行逆向運算，就能重構出字母π的圖像。

貝爾托洛蒂表示，這一研究是個進步，但依然不夠理想：「當要成像的物體位於散射介質的另一側時，這種方法才有用。」而在透視大腦內部或血管內部等很多醫療應用中，目標都是埋在身體組織裡面的。

透視組織內部

目前，已有多個研究團隊在嘗試解決散射介質內部成像這一難題。2013年，加州理工學院的生物工程學家楊長輝及團隊以前所未有的解析度實現了一項壯舉，他們分辨出了夾在兩層人造不透明介質之間且直徑僅有1微米的熒光球。

然而這種技術距離透視深層活體組織還有很長的路要走。實現這樣的應用還面臨著另一個難度更大的挑戰：由於血液流動與呼吸作用，身體組織總是在移動，而此類技術僅適用於散射介質完全靜止的情況。現在多數研究團隊都大幅縮短了透視成像所需的時間，從莫斯克團隊最初所需的約1個小時縮短到了幾十秒。儘管這對於小珠或字母π成像已經足夠好了，但對於體內的腫瘤成像來說還遠遠不夠。

由巴黎卡斯特勒·布羅塞爾實驗室的物理學家西爾萬·吉加領導的團隊在去年展示了一種僅用一張快照就可重構出隱藏物體圖像的方法。吉加說：「當你看到演算法重構出的最終圖像時，你會覺得有點像變魔術。」貝爾托洛蒂認為，每種方法都各有其優缺點，截至今日，還沒有哪種成像方法能脫穎而出：「與其尋找一種能應對所有問題的完美技術，不如開發能整合到同一台設備上的一系列技術。」

這項由生物工程師和醫學物理學家開創的技術也可應用到許多其他領域。莫斯克認為這種技術可以用於藝術品修復。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層面影響整幅畫的老化。如果想保護畫作，了解裡面的顏料層是什麼也很重要。」此外，由於這類方法實際上相當於逆轉了光的散射，也可以幫助通信行業解析因光的散射而產生的光纖雜訊。這種技術同樣適用于軍事領域。士兵可以利用該技術透過便攜的屏障觀察前方，這種屏障可以是一塊盾牌，也可以是一團噴射出的雲霧。 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。」

【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撰稿人。

【翻譯】張國文

本文由《科學美國人》中文版《環球科學》供稿。