實時、三維顯微組織成像有可能為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域例如癌癥診斷、微創(chuàng)手術(shù)及眼科帶來一場變革。近期來自伊利諾伊大學(xué)的研究人員開發(fā)出一項通過計算校正光學(xué)斷層掃描（optical tomography）偏差的新技術(shù)，將在未來使醫(yī)療成像成為焦點。
這一計算技術(shù)可為更廣泛的用戶群提供更快、更廉價及更高分辨率的組織成像。研究人員在本周的《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）的網(wǎng)絡(luò)版上介紹了這一技術(shù)。
伊利諾伊大學(xué)貝克曼先進科學(xué)技術(shù)研究所博士后研究人員Steven Adie說：“計算技術(shù)可使你超越光學(xué)系統(tǒng)能做到的，最終獲得最佳質(zhì)量的圖像和三維數(shù)據(jù)集。它對于實時成像應(yīng)用例如圖像引導(dǎo)手術(shù)很有幫助。”
散光或失真等像差會對高分辨率成像造成麻煩。它們會使得本看起來像細點的物體變成斑點或條紋。分辨率越高，問題就越嚴重，在精確度對正確診斷至關(guān)重要的組織成像中尤其棘手。
自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive optics）可在成像中校正像差。被廣泛應(yīng)用于天文學(xué)中校正星光通過大氣層時的像差。一個復(fù)雜的反光鏡系統(tǒng)可在光線進入透鏡前幫助清除散射光。醫(yī)學(xué)科學(xué)們目前已開始將自適應(yīng)光學(xué)硬件應(yīng)用到顯微鏡，希望能改善細胞和組織成像。
“我們現(xiàn)在面臨著相同的挑戰(zhàn)，只不過我們不是通過空氣成像， 而是通過組織成像；我們不是對星星成像，還是對單個細胞成像。有很多的光學(xué)問題都是相同的，”伊利諾伊大學(xué)電子與計算機工程學(xué)、生物工程學(xué)及內(nèi)科學(xué)教授Stephen Boppart說。
不幸的是，基于硬件的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)非常復(fù)雜、校整極為繁瑣且極其昂貴。他們只能一次聚焦一個平面，因此對于斷層成像——例如在CT掃描中斷面成像構(gòu)成的3D模型——不得不對反光鏡加以調(diào)整，每個平面掃描一張新圖像。此外，復(fù)雜的校正系統(tǒng)則不適合于手持或便攜式儀器例如手術(shù)探針或視網(wǎng)膜掃描儀。
因此，沒有采用硬件在光分布進入透鏡前對其進行校正，伊利諾伊大學(xué)研究團隊采用了計算機軟件來尋找和校正獲取圖像后的像差。Boppart研究小組與貝克曼研究所光學(xué)科學(xué)小組負責(zé)人、電子與計算機工程學(xué)教授Scott Carney聯(lián)手，開發(fā)了一項稱為計算自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)。他們在摻有微粒的膠仿真模型及大鼠肺組織中證實了這一技術(shù)。他們用干涉顯微鏡（一種利用兩光束的光學(xué)成像設(shè)備）篩查了一個組織樣本。計算機收集了所有的數(shù)據(jù)，然后校正了該樣本內(nèi)所有深度的圖像。模糊的條紋變成了尖點，噪音中顯示出特征，用戶可通過點擊鼠標來修改參數(shù)。
Adie 說：“能夠校正整個樣本的像差可幫助我們得到該樣本中所有地方的高分辨率圖像?，F(xiàn)在你可以以從所未有的清晰度看到組織的結(jié)構(gòu)。”
計算自適應(yīng)光學(xué)可適應(yīng)于所有類型的干涉成像，例如光學(xué)相干斷層掃描?？赏ㄟ^一臺普通的臺式電腦完成計算，使其易于進入到大量的醫(yī)院和診所。
接下來，研究人員正在致力改進算法，探索應(yīng)用。他們正將計算自適應(yīng)光學(xué)與圖形處理器結(jié)合到一起，希望能將其實時應(yīng)用到體內(nèi)手術(shù)、微創(chuàng)活檢及更多其它方面。
例如，計算自適應(yīng)光學(xué)對于眼科醫(yī)生可能會尤其有幫助。Boppart過去曾開發(fā)出各種手動光學(xué)斷層設(shè)備對眼睛內(nèi)部成像，尤其是用于視網(wǎng)膜掃描。像差在人類眼睛中非常常見，因此很難獲取清晰的圖像。然而自適應(yīng)光學(xué)硬件對于大部分執(zhí)業(yè)眼科醫(yī)生而言太過昂貴或過于復(fù)雜。利用計算方案，更多的眼科醫(yī)生可以有效檢查和治療他們的患者。
Boppart 說：“效果是非常驚人的。因為人眼的像差，當(dāng)你再沒有自適應(yīng)光學(xué)的條件下看向視網(wǎng)膜，你只能看到光的變化，以及代表視桿和視錐的黑暗區(qū)域。但是當(dāng)你采用自適應(yīng)光學(xué)時，你能看到視桿和視錐是不同的物體。”
此外，其校準獲得后數(shù)據(jù)的能力使得研究人員能夠開發(fā)出最大限度光采集顯微系統(tǒng)，而無需擔(dān)心減小像差。這可以生成更好的數(shù)據(jù)用于生成更好的圖像。
“我們正在致力計算出盡可能最好的圖像，”Boppart說。
