波前塑形：天文技术用于更清晰的医学成像

加州理工学院的研究人员通过调整天文学中的波前整形技术来抵消生物组织造成的失真，从而推进了医学成像的进步。该团队使用一种"魔镜"光电折射晶体，实现了高速、高能量增益和高控制自由度，有可能改善皮肤下的癌症检测。

描述这项研究的论文最近发表在《自然-光子学》上，题目是"通过散射介质进行高增益和高速波前整形"。

在天文学中，到达望远镜的光线被地球的大气层扭曲，导致行星、卫星和其他宇宙物体的图像模糊不清。地球的大气层是所谓的散射介质;它散射光线，使图像显得不集中和混浊。波前整形是一种通过扭转由大气层造成的光学失真来产生聚焦光的方法。在这种方法中，一个反射装置，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不断抽动会产生快速变化的失真，或浑浊。正如天文学家可能使用波前整形来消除地球大气层造成的失真，医学工程的研究人员已经探索使用波前整形来消除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，它将简单地散射到各处。这意味着我们不能直接将光聚焦到组织深处，"布伦医学工程和电子工程教授、该论文的通讯作者王丽红说。"散射有一个累积效应。散射的光子越多，我们看到的失真就越多。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。

王的实验室采用了一种光折射晶体作为"魔镜"，抵消了由组织引起的光的扭曲。

这个过程是这样的： 如果你盯着一个标准的浴室镜子，你会看到一个清晰的、不扭曲的自己的图像。在你自己和镜子之间拿一个玻璃瓶对着你的眼睛，你会看到一个扭曲的、模糊的自己的形象。这是因为瓶子使光波在到达镜子和从镜子返回到你的眼睛的途中发生扭曲。魔镜"的"魔力"是通过扭转它所经历的扭曲来保持波的形状(称为波面)的能力。换句话说，返回的光线在前往镜子的路上和返回你的路上都经历了同样的扭曲，但却被逆转了，导致扭曲被自我抵消了。当这些波前再次通过瓶子时，结果是你自己的清晰图像，就像瓶子不在那里一样。

然而，使用波前整形来捕捉更清晰的生物组织图像必须满足三个关键指标。以前的方法还不能满足这三个指标。

第一个关键指标是速度。由于生物组织是活的，而且是移动的，整个波前整形过程必须在一毫秒内完成。Wang说："只有当你在时间逆转过程中让同一物体在同一位置处于同一状态时，我们才能消除波前失真。"他也是Andrew and Peggy Cherng医学工程领导小组主席。

第二个关键指标是所谓的"控制自由度"。与你早上穿衣服时可能使用的传统镜子不同，用于波前整形的"魔镜"是由许多小镜板组成的。面板越多，研究人员对调整和塑造光波的控制就越多，以消除失真。

第三个关键指标，也是对王和团队最具挑战性的指标，是镜子的亮度或反射率--所谓的"能量增益"。对于在高速波前整形中使用的具有高控制自由度的"魔镜"，反射率往往过于暗淡而无法发挥作用。研究小组在激光的产生方式中找到了一个解决方案。

当光波通过一种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额外光的形式释放能量。这个过程放大了光波，形成了以直线传播的光--被称为激光。同样地，激光增益介质被用来放大到达魔镜并从魔镜上反射的散射光波，这种增益介质使我们能够使魔镜更加闪亮;可以说，它擦亮了镜子。魔镜本身保持不变，而进出魔镜的光线则被放大和变亮。

在天文学中，波前整形可以将一个模糊的圆球变成一个遥远星球的更清晰图像。转化到医学工程中，这种新的医学波前塑形过程有可能使组织锐利地聚焦，以检测皮肤下的癌症。