波前整形从望远镜到生物组织

加州理工学院Andrew和PeggyCherng医学工程系的研究人员从天文学领域汲取灵感，在医学成像领域迈出了重要一步。

描述这项研究的论文发表在1月23日的NaturePhotonics上，标题为“High-gainandhigh-speedwavefrontshapingthroughscatteringmedia”。

在天文学中，到达望远镜的光线被地球大气层扭曲，导致行星、卫星和其他宇宙物体的图像模糊。地球大气层就是所谓的散射介质。它会散射光线，使图像显得散焦和浑浊。波前整形是一种通过逆转大气引起的光学畸变来产生聚焦光的方法。在这种方法中，反射装置(如镜子)“塑造”光波以抵消失真。这类似于一个人戴着主动降噪耳机来对抗环境噪音。

生物组织也是一种散射介质。在拍摄血管、神经甚至癌细胞的显微图像时，血液的运动、呼吸的运动和心脏的持续跳动会产生快速变化的失真或混浊。由于天文学家可能会使用波前整形来抵消地球大气引起的失真，医学工程领域的研究人员已经探索使用波前整形来抵消生物组织造成的失真。

“当光穿过像一块组织这样的散射介质时，它会简单地散射到各处。这意味着我们不能直接将光聚焦在组织深处，”布伦医学工程和电气工程教授LihongWang说，和论文的通讯作者。“散射具有累积效应。散射光子越多，我们看到的失真就越大。通过使用波前整形，我们可以减轻散射效应并更深入地聚焦到生物组织中。”

Wang的实验室使用光折射晶体充当“魔镜”，消除由组织引起的光扭曲。

这个过程是这样的：如果你凝视一面标准的浴室镜子，你会看到一个清晰、未扭曲的自己形象。将一个玻璃瓶举到你自己和镜子之间的眼睛处，你会看到一个扭曲、模糊的自己形象。这是因为瓶子在光波到达镜子和从镜子返回到您眼睛的过程中扭曲了光波。“魔镜”中的“魔力”是能够通过扭转它所经历的失真来保持波形(称为波前)。换句话说，返回的光在到达镜子的途中和返回给您的过程中都经历了相同的失真，但相反，导致失真自行抵消。当那些波前再次穿过瓶子时，结果是你自己的清晰图像，就好像瓶子没有

然而，使用波前整形来捕获更清晰的生物组织图像必须满足三个关键指标。以前的方法无法同时满足这三个条件。

第一个关键指标是速度。由于生物组织是活的和运动的，整个波前整形过程必须在一毫秒内完成。“只有当你在时间反转过程中在相同位置的相同状态下拥有相同的物体时，我们才能消除波前畸变，”Wang说，他也是Andrew和PeggyCherng医学工程领导。

第二个关键指标是所谓的“控制自由度”。与您早上穿衣时使用的传统镜子不同，波前整形中使用的“魔镜”由许多小镜子面板组成。面板越多，研究人员就越需要调整和塑造光波以消除失真。

第三个关键指标，也是对Wang和团队最具挑战性的指标，是镜子的亮度或反射率——即所谓的“能量增益”。在控制自由度高的高速波前整形中使用“魔镜”，反射率往往太暗而无法发挥作用。研究小组找到了激光产生方式的解决方案。

当光波通过具有允许其放大光的特性的材料(也称为增益介质)时，增益介质中的电子以附加光的形式释放能量。这个过程放大了光波，形成了直线传播的光——被称为激光。同样，激光增益介质用于放大到达魔镜和从魔镜反射的散射光波。“打个比方，这种增益介质让我们可以让魔镜更闪亮;可以说，它擦亮了镜子，”Wang说。魔镜本身保持不变，而移入和移出镜子的光被放大并变得更亮。

在天文学中，波前整形可以将模糊的斑点变成遥远行星的更清晰图像。转化为医学工程，这种新的医学波前整形过程有可能将注意力集中在组织上，以检测皮肤下的癌症。

“我们报告了这项技术，它同时实现了高速、高能量增益——这意味着高反射率——和高控制自由度。这意味着所有三个指标都首次得到满足，”Wang说。“这是向前迈出的重要一步。”

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