互动科普

借鉴天文观测采用的技术，物理学家找到了透视活体组织等不透明物体的方法。

“看起来好得难以置信，”阿拉德·莫斯克（Allard Mosk）说。那是在2007年，当时在荷兰特文特大学担任教授的莫斯克和他的学生伊福·韦勒库普(Ivo Vellekoop)做了一个实验。他们用一束可见光照射涂了白色油漆的载玻片，然后在载玻片的另一边会聚穿过去的光线。他们对于这一研究的应用并没有特别明确的想法。莫斯克说：“我就是想尝试一下，因为以前没有人这样做过。”其实，两位研究者对实验结果也没抱什么希望，他们认为最多也只能得到一个模糊的光斑。

然而，实验结果出人意料，他们第一次尝试就得到了一个比预期亮100倍的光点。莫斯克惊呼：“这样的好运不会一开始就碰上。”他说：“我们认为自己肯定是犯了什么错误，载玻片上一定有个能让光束透过的孔。”

事实上，载玻片上并没有孔。而他们的实验，与其他研究者在同一年晚些时候做的另一个实验一起，开创了透视不透明物体研究的先河。到目前为止，这类研究仍停留在实验室中，但进展非常迅速。研究人员现在已经能对一些较薄的身体组织，如小鼠耳朵等进行高精度的透视成像，并在继续努力增加透视的深度。如果他们能战胜目前面临的诸多艰巨挑战，例如透视那些可以移动或伸展的身体组织，那么这种技术将拥有非常广阔的应用前景。如能直接得到人体深处的可见光影像，就不需要再做侵入性的活检了；或者可以在不进行外科手术的情况下，把激光聚焦到病变部位，治疗脑动脉瘤或其他不宜手术的肿瘤。

“就在10年前，我们甚至还无法想象可以利用可见光对身体内部组织进行精度达1厘米的高清成像，但目前这已成为了现实。”美国圣路易斯华盛顿大学的生物工程学家汪立宏（Lihong Wang ）说，“你可能会说我的想法很疯狂，但我相信，我们最终能用可见光对整个身体进行成像。”

解析散射光

目前，我们可以用X射线和超声波透视身体。但如果也能用可见光成像的话，那获得的图像的精度就会超过X射线和超声波成像。汪立宏说，部分原因是可见光图像一般有更高的分辨率。另一个原因是，可见光与有机分子间的相互作用更强，所以反射光携带着体内生物化学变化、细胞异常、血糖浓度、血氧含量等各种信息。

然而，这些相互作用也会让可见光被散射和吸收。光线被吸收，就无法成像了：光子被材料吸收，其携带的信息也就一并丢失了。而散射仍为成像保留了一丝希望。许多材料，如皮肤、白色油漆或者雾，都是“不透明”的，因为光子穿过它们的时候会被弹来弹去，最后被搅得乱成一团。但这些光子并没有丢失，因此，原则上说，这个混杂光场是可以进行逆向分解的。

天文学家已经在用一种名为自适应光学的技术解决另一种散射问题。他们用这种技术消除了大气散射给恒星、行星和星系的照片造成的畸变。其基本思路是，选择一颗明亮的参考星，让望远镜收集来自参考星的光线，并采用一种算法来计算大气是怎样让恒星的点状像模糊和变形的。然后，这种算法会控制一块特殊的“可变形”镜片，抵消掉大气导致的图像畸变。这样，参考星在望远镜中成的像就会由模糊的光斑变成一个点，望远镜真正的目标天体的像也会变得更加清晰。

不幸的是，这种技术很难在生物体内使用。生物组织深处的观察目标并不像恒星那样可以发光，它们必须得到外部的照明才能成像，而且生物组织中的散射体也比大气中的稠密得多。法国劳厄-朗之万研究所的光物理学家奥里·卡茨（Ori Katz）说：“要补偿一块蛋壳导致的散射畸变，你需要由数十亿个移动部件组成的可变形镜片。” 这就是当初莫斯克和韦勒库普对实验结果不抱太大希望的原因。不过，技术的飞速进步，让这两位研究者备受鼓舞。“不久前，实现百万像素成像还被认为是荒唐的，但到了2007年，几乎每一台智能手机都具备这样的能力，”莫斯克说。

他们在实验中使用了一个“空间光调制器”。这是一个与智能手机的液晶显示屏类似的装置，能够控制激光束不同部分的传输延迟。他们用经过调制器调制的光束，照射涂有油漆的载玻片，并且在载玻片的另一面放置一个探测器，用计算机监测探测器收集到了多少光。然后，通过电脑控制调制器，增减每个像素的延迟量，通过反复试错来确定当延迟数值多大时，激光束经过载玻片的散射最小。实际上，这是主动让入射光束发生畸变，用这种畸变抵消掉不透明物体所导致的畸变。莫斯克和韦勒库普连续计算了一个多小时，然后得到了一个完全超出期待的结果：一个比背景信号亮1 000倍的光点。

“莫斯克的研究让人大开眼界，”卡茨说，“它改变了我们对可见光能力的认识。”

获得成功后不久，莫斯克了解到，加州理工学院的生物工程学家杨长辉（Changhuei Yang ）与其团队也进行了相似的研究。

杨长辉用了一种不同的技术来会聚散射光，他们用的不透明物质也与莫斯克的不同——鸡胸肉的薄片。但是，杨长辉也对实现物体透视的容易程度感到吃惊。“我本来想的是，用6个月的时间进行这项研究，如果没有成功，就当是一次学习的经历，”杨长辉说，“但实际上，透视物体并没有那么难。”

这两篇文章发表后不久，随着其他物理学家的迅速跟进，该领域开始了爆炸式的发展。2010年加入莫斯克团队的光物理学家雅各布·贝尔托洛蒂（Jacopo Bertolotti）就是这些物理学家中的一个。贝尔托洛蒂现在就职于英国埃克塞特大学，他表示，自己是被“这个实验的美”和它在医疗成像方面的潜力吸引来的。但他也看出，要真正实现这一目标仍有很长的路要走。

贝尔托洛蒂面临的首要问题是，在莫斯克最初的实验中，摄像机是放置于不透明物体背后的。这不适用于医疗领域，因为在表皮下植入一个摄像头是需要动手术的，这种侵入性的手术是有危险的，一般不值得冒此风险。不过，贝尔托洛蒂、莫斯克和同事在2012年设计出了一种把激光光源和探测器都放在物体前面的方法。

他们的目标是一个用荧光材料制成的希腊字母π。这个边长只有50微米的字母隐藏在一块不透明隔板之后。字母目标和一个细胞的大小差不多，这种情况类似于向活体组织注射荧光染料帮助成像的医疗技术。开启激光后，光子经反复散射穿过隔板，光束变成了弥散光后照亮荧光字母π。光从字母上反射回来再次穿过隔板，在隔板这一边产生模糊的散斑图案，就像是试图透过浴帘看这个字母符号。

不过，这个字母的形状信息依然隐藏在散射光中。为了从中恢复出这些信息，该团队记录下了散斑图案，然后移动激光光源，让其从不同的角度照射，再记录下新的散斑图。多次重复这一过程，并逐个比较不同角度产生的图案，计算机就可以计算出这些图案之间是如何关联的。再据此进行逆向运算，就能重构出字母π的图像。

贝尔托洛蒂表示，这是个进步，但依然不够理想。他说：“当要成像的物体位于散射介质的另一侧时，这种方法才有用。”而在很多医疗应用中，如透视大脑内部或血管内部，目标都是埋在身体组织里面的。

透视组织内部

目前，包括杨长辉和汪立宏的团队在内，已有多个研究团队在尝试解决散射介质内部成像这一难题。例如，2013年，杨长辉的团队以前所未有的分辨率实现了一项壮举，他们分辨出了夹在两层人造不透明介质之间，直径仅有1微米的荧光球。

杨长辉和生物学家本杰明·贾基维茨（Benjamin Judkewitz）及其研究团队做了这样一个实验，他们用光照射介质，让光子经散射穿过介质，然后，在介质的另一边，用一种叫做“时间反转镜”（time-reversing mirror）的装置把光反射回来。这种装置的特点是，可以让每一条光线都精确地沿着原路线折返。不过，让所有光线都进行时间反转的话，就把所有的散射效果都清空了，其中也包括了埋在介质中的物体的信息。所以，这个团队将不易散射的超声波束聚焦于介质中的某一点，当光线在经过这一点时，就会发生轻微的频移。然后，在介质的另一边，研究人员调整“时间反转镜”，让它只反射发生了频移的光线。结果，经“时间反转”的光束自动穿过焦点返回，并把它的能量加到了第一次通过介质的光束上。这就把超声波束在介质中的焦点变成了辐射强度相对较高的亮斑，现在就职于柏林夏洛特医学院的贾基维茨把其称作“墙内的火炬”。更理想的是，超声波的焦点可以在介质内移动，当其经过荧光球时，小球就会发出荧光（见“声与光”）。

然而，这种技术距离透视深层活体组织还有很长的路要走。要实现这样的应用，还面临着另一个难度更大的挑战：由于血液流动与呼吸作用，身体组织总是在移动。“我们还不能把这类研究应用于医学领域，原因是此类技术仅适用于散射介质完全静止的情况，”劳厄-朗之万研究所的物理学家马蒂亚斯·芬克（Mathias Fink）说。他曾在上世纪90年代开发了一种只利用超声波的时间反转技术。卡茨说，现在多数研究团队都大幅缩短了透视成像所需的时间，从莫斯克他们最初的大约1个小时缩短到了几十秒。要对小珠或字母π成像的话，这已经足够好了，但要对体内的肿瘤成像，却还远远不够。

不过，由巴黎卡斯特勒·布罗塞尔实验室的物理学家西尔万·吉加（Sylvain Giga）领导的团队（卡茨和芬克也是这个团队的成员）在去年展示了一种仅用一张快照就可重构出隐藏物体图像的方法。吉加说，“当你看到算法重构出的最终图像时，你会觉得有点像变魔术。”

汪立宏也同意速度是最关键的。他说：“每个物体都在运动，我们仅有毫秒量级的时间窗口用来成像。”在2015年1月发表的论文中，汪立宏和他的研究团队设法把成像时间缩短到了5.6毫秒。他说：“这已经足够用于某些部位的体内成像了”。而且，他们的成像目标——墨水染色的明胶颗粒，是夹在麻醉状态下的小鼠的耳朵与毛玻璃扩散片之间的。贝尔托洛蒂说，在活体小鼠身上获得成功令人赞叹。但他指出，小鼠耳朵相对来说很薄，要用这种技术对人体的皮肤或肌肉成像，还有许多工作要做。

贝尔托洛蒂补充说，截至今日，还没有哪种成像方法能脱颖而出。每种方法都各有其优缺点。“我认为，与其寻找一种能应对所有问题的完美技术，不如开发能整合到同一台设备上的一系列技术，”他说，“我也不知道这样的设想要多久才能实现，但这是一个发展迅速的新兴领域，有可能在几年内就办到。”

这种由生物工程师和医学物理学家开创的技术，也可以应用到许多其他领域。例如，莫斯克认为这种技术可以用于艺术品修复。他说：“大部分画家作画时，都是把颜料逐层覆盖上去的，底下的颜料层也会在物理和化学层面影响整幅画的老化。如果想保护画作，了解里面的颜料层是什么也很重要。”此外，因为这类方法实际上相当于逆转了光的散射，所以也可以帮助通信行业解析因光的散射而产生的光纤噪声。

芬克说，这种技术显然也适用于军事领域。他认为，利用这种技术，可以让士兵透过便携的屏障观察前方，这种屏障可以是一块盾牌，也可以是一团喷射出的云雾。芬克说：“这和隐形是不一样的，但效果有些类似：对方看不到你，你却能看到他们。”

这个新领域中的科学家在畅想这种技术的应用时，大多会变得兴奋起来。但身为其中的一员，吉加也非常关注另一个问题——确保技术被正当地使用。“当我们向人介绍自己的研究时，总会有人问能否开发出透视浴帘的手机应用，”他说，“以我们的技术是办得到的，但我们是不会这样做的。”