實(shí)時(shí)、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(chǎng)變革。近期來自伊利諾伊大學(xué)的研究人員開發(fā)出一項(xiàng)通過計(jì)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(diǎn)。
這一計(jì)算技術(shù)可為更廣泛的用戶群提供更快、更廉價(jià)及更高分辨率的組織成像。研究人員在本周的《美國(guó)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(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所博士后研究人員Steven ADIe說：“計(jì)算技術(shù)可使你超越光學(xué)系統(tǒng)能做到的，終獲得佳質(zhì)量的圖像和三維數(shù)據(jù)集。它對(duì)于實(shí)時(shí)成像應(yīng)用例如圖像引導(dǎo)手術(shù)很有幫助?！?/p>
散光或失真等像差會(huì)對(duì)高分辨率成像造成麻煩。它們會(huì)使得本看起來像細(xì)點(diǎn)的物體變成斑點(diǎn)或條紋。分辨率越高，問題就越嚴(yán)重，在**度對(duì)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(shí)的像差。一個(gè)復(fù)雜的反光鏡系統(tǒng)可在光線進(jìn)入透鏡前幫助**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(xì)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(duì)星星成像，還是對(duì)單個(gè)細(xì)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(jì)算機(jī)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(gè)平面，因此對(duì)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(duì)反光鏡加以調(diào)整，每個(gè)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(jìn)入透鏡前對(duì)其進(jìn)行校正，伊利諾伊大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用了計(jì)算機(jī)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(fù)責(zé)人、電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授Scott Carney聯(lián)手，開發(fā)了一項(xiàng)稱為計(jì)算自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)。他們?cè)趽接形⒘５哪z仿真模型及大鼠肺組織中證實(shí)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(gè)組織樣本。計(jì)算機(jī)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(diǎn)，噪音中顯示出特征，用戶可通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)來修改參數(shù)。
Adie 說：“能夠校正整個(gè)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(jì)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(tái)普通的臺(tái)式電腦完成計(jì)算，使其易于進(jìn)入到大量的醫(yī)院和診所。
接下來，研究人員正在致力改進(jìn)算法，探索應(yīng)用。他們正將計(jì)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(shí)時(shí)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(jì)算自適應(yīng)光學(xué)對(duì)于眼科醫(yī)生可能會(huì)尤其有幫助。Boppart過去曾開發(fā)出各種手動(dòng)光學(xué)斷層設(shè)備對(duì)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(duì)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(jì)算方案，更多的眼科醫(yī)生可以有效檢查和**他們的患者。
Boppart 說：“效果是非常驚人的。因?yàn)槿搜鄣南癫?，?dāng)你再?zèng)]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(shí)，你能看到視桿和視錐是不同的物體。”
此外，其校準(zhǔn)獲得后數(shù)據(jù)的能力使得研究人員能夠開發(fā)出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(jì)算出盡可能好的圖像，”Boppart說。
原文摘要：
Computing the Best High-Resolution 3-D Tissue Images
ScienceDaily (Apr. 23, 2012) — Real-time, 3-D microscopic tissue imaging could be a revolution for medical fields such as cancer diagnosis, minimally invasive surgery and ophthalmology. University of Illinois researchers have developed a technique to computationally correct for aberrations in optical tomography, bringing the future of medical imaging into focus.
原文鏈接：PNAS
