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《自然—光子学》全息技术看人体 透明如"水母"

  如果人类的皮肤也像水母一样是透明的,那么观测癌症等疾病可能会容易得多。科学家的一项最新研究,开发出一种能够看穿人体的新方法。相关论文1月27日在线发表于《自然—光子学》(Nature Photonics)上。

  由于高度散射的原因,光无法沿直线穿过组织,因而人体不是透明的。不过,这种光线散射并非是随机且不可预测的过程,而是确定的。这意味着光线穿过特定组织切片以及反射回来时的路径有固定的模式,是可以预测和把握的。此外,这一过程还具有可逆性,如果将散射后的光子收集起来,逆向穿过组织,将能够还原出原始光线及其路径。

  正是利用这一小技巧,美国加州理工学院电子工程与生物工程系副教授Changhuei Yang和麻省理工学院(MIT)、瑞士洛桑联邦理工学院(École Polytechnique Fédérale de Lausanne)的研究人员一道,采用全息方法抵消了光线的散射效果。

  实际上,这种名为光相位结合混乱抑制(turbidity suppression by optical phase conjugation,简称TSOPC)的技术十分简单。研究人员利用全息晶体记录下通过一块0.46毫米厚鸡脯的光线散射模式,随后,他们又全息回放了该模式,从而恢复了原始的光束。

  Yang表示,“这种效果在生物组织中十分明显和容易观测,新的研究为光学时间反转(optical time reversal)技术应用于生物医学开启了无穷的可能性。”

  比如,一种潜在的应用就是光力学治疗,将高度聚焦的光束瞄准已吸收了光敏细胞杀灭物质(cell-killing light-sensitive compounds)的癌细胞。当光线击中细胞时,这些物质就会被激活,从而消灭癌细胞。新的研究成果有望使科学家通过测定局部散射模式,让光线靶向深层目标,从而打破光力学治疗只能用于皮肤表层的限制,为消灭组织内部肿瘤开辟了新的道路。

  此外,考虑到传统人体植入物因携带了能量源而尺寸较大,新技术还有望为组织深处的迷你植体(miniature implants,比如微型起搏器)提供能量,从而有效减小植体的大小。(科学网 任霄鹏/编译)

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