波前塑形：天文技術用于更清晰的醫學成像

加州理工學院的研究人員通過調整天文學中的波前整形技術來抵消生物組織造成的失真，從而推進了醫學成像的進步。該團隊使用一種"魔鏡"光電折射晶體，實現了高速、高能量增益和高控制自由度，有可能改善皮膚下的癌癥檢測。加州理工學院醫學工程系的研究人員通過使用受天文學啟發的波前整形在醫學成像方面取得了重大進展。波前整形是一種用于糾正天文成像中由地球大氣層造成的光學失真的方法。與地球大氣層類似，生物組織也會散射光線，使血管、神經和癌細胞的顯微圖像出現失真。

描述這項研究的論文最近發表在《自然-光子學》上，題目是"通過散射介質進行高增益和高速波前整形"。

在天文學中，到達望遠鏡的光線被地球的大氣層扭曲，導致行星、衛星和其他宇宙物體的圖像模糊不清。地球的大氣層是所謂的散射介質；它散射光線，使圖像顯得不集中和混濁。波前整形是一種通過扭轉由大氣層造成的光學失真來產生聚焦光的方法。在這種方法中，一個反射裝置，如鏡子，"塑造"光波以抵消失真。這類似于一個人戴著主動降噪耳機來對抗環境噪音。

生物組織也是一種散射介質。在拍攝血管、神經、甚至癌細胞的顯微圖像時，血液的運動、呼吸的運動和心臟的不斷抽動會產生快速變化的失真，或渾濁。正如天文學家可能使用波前整形來消除地球大氣層造成的失真，醫學工程的研究人員已經探索使用波前整形來消除生物組織造成的失真。

"當光穿過像一塊組織這樣的散射介質時，它將簡單地散射到各處。這意味著我們不能直接將光聚焦到組織深處，"布倫醫學工程和電子工程教授、該論文的通訊作者王麗紅說。"散射有一個累積效應。散射的光子越多，我們看到的失真就越多。通過使用波前整形，我們可以減輕散射效應，并更深入地聚焦到生物組織。

王的實驗室采用了一種光折射晶體作為"魔鏡"，抵消了由組織引起的光的扭曲。

這個過程是這樣的： 如果你盯著一個標準的浴室鏡子，你會看到一個清晰的、不扭曲的自己的圖像。在你自己和鏡子之間拿一個玻璃瓶對著你的眼睛，你會看到一個扭曲的、模糊的自己的形象。這是因為瓶子使光波在到達鏡子和從鏡子返回到你的眼睛的途中發生扭曲。魔鏡"的"魔力"是通過扭轉它所經歷的扭曲來保持波的形狀（稱為波面）的能力。換句話說，返回的光線在前往鏡子的路上和返回你的路上都經歷了同樣的扭曲，但卻被逆轉了，導致扭曲被自我抵消了。當這些波前再次通過瓶子時，結果是你自己的清晰圖像，就像瓶子不在那里一樣。

然而，使用波前整形來捕捉更清晰的生物組織圖像必須滿足三個關鍵指標。以前的方法還不能滿足這三個指標。

第一個關鍵指標是速度。由于生物組織是活的，而且是移動的，整個波前整形過程必須在一毫秒內完成。Wang說："只有當你在時間逆轉過程中讓同一物體在同一位置處于同一狀態時，我們才能消除波前失真。"他也是Andrew and Peggy Cherng醫學工程領導小組主席。

第二個關鍵指標是所謂的"控制自由度"。與你早上穿衣服時可能使用的傳統鏡子不同，用于波前整形的"魔鏡"是由許多小鏡板組成的。面板越多，研究人員對調整和塑造光波的控制就越多，以消除失真。

第三個關鍵指標，也是對王和團隊最具挑戰性的指標，是鏡子的亮度或反射率--所謂的"能量增益"。對于在高速波前整形中使用的具有高控制自由度的"魔鏡"，反射率往往過于暗淡而無法發揮作用。研究小組在激光的產生方式中找到了一個解決方案。

當光波通過一種具有允許其放大光的特性的材料--也稱為增益介質--時，增益介質中的電子以額外光的形式釋放能量。這個過程放大了光波，形成了以直線傳播的光--被稱為激光。同樣地，激光增益介質被用來放大到達魔鏡并從魔鏡上反射的散射光波，這種增益介質使我們能夠使魔鏡更加閃亮；可以說，它擦亮了鏡子。魔鏡本身保持不變，而進出魔鏡的光線則被放大和變亮。

在天文學中，波前整形可以將一個模糊的圓球變成一個遙遠星球的更清晰圖像。轉化到醫學工程中，這種新的醫學波前塑形過程有可能使組織銳利地聚焦，以檢測皮膚下的癌癥。