撰文：泽亚·梅拉利（Zeeya Merali）

本文作者 泽亚·梅拉利是英国伦敦的一位自由科学撰稿人。

翻译：张国文

解析散射光

目前，我们可以使用X射线和超声波对人体进行透视。但如果能使用可见光成像的话，获得的图像精度就会超过X射线和超声波成像。这是因为可见光图像一般有更高的分辨率，同时它与有机分子间的相互作用更强，能够携带体内生物化学变化、细胞异常、血糖浓度、血氧含量等各种信息。

然而，这些相互作用也会让可见光被散射和吸收。尽管光线被吸收后无法成像，但散射仍为成像保留了一丝希望。皮肤、白色油漆及雾等材料都是“不透明”的，光子穿过它们的时候会被弹来弹去，最后被搅得乱成一团。但这些光子并没有丢失，因此从原则上说，这个混杂光场是可以进行逆向分解的。

天文学家已经在用一种名为自适应光学的技术解决另一种散射问题。他们用这种技术消除了大气散射给恒星、行星和星系的照片造成的畸变。其基本思路是：选择一颗明亮的参考星，让望远镜收集来自参考星的光线，并采用一种算法来计算大气是怎样让恒星的点状像模糊和变形的。这种算法随后会控制一块特殊的“可变形”镜片从而抵消掉大气导致的图像畸变。这样，参考星在望远镜中的成像就会由模糊的光斑变成一个点，望远镜真正的目标天体的像也会变得更加清晰。

但这种技术很难应用于生物体内。生物组织深处的观察目标并不像恒星那样可以发光，它们必须得到外部的照明才能成像，而且生物组织中的散射体也比大气中的稠密得多。不过，技术的飞速进步让研究人员备受鼓舞。

荷兰特文特大学的阿拉德·莫斯克教授和他的学生伊福·韦勒库普在实验中使用了一个“空间光调制器”，这是一个与智能手机液晶显示屏类似的装置，能够控制激光束不同部分的传输延迟。他们用经过调制器调制的光束照射涂有油漆的载玻片，并且在载玻片的另一面放置一个探测器，用计算机监测探测器收集到了多少光。然后通过电脑控制调制器增减每个像素的延迟量，通过反复试错来确定当延迟数值多大时，激光束经过载玻片的散射最小。经过连续计算，莫斯克和韦勒库普得到了一个完全超出期待的结果——一个比背景信号亮1000倍的光点。

随后，该研究领域开始迅猛发展。2010年加入莫斯克团队的光物理学家雅各布·贝尔托洛蒂发现，在莫斯克最初的实验中，摄像机是放置于不透明物体背后的，这并不适用于医疗领域，因为在表皮下植入一个摄像头是需要动手术的，但这种侵入性的手术存在风险。2012年，贝尔托洛蒂、莫斯克和同事设计出了一种把激光光源和探测器都放在物体前面的方法。他们的目标是一个用荧光材料制成的希腊字母π。这个边长只有50微米的字母隐藏在一块不透明隔板之后，大概相当于一个细胞的大小。这种情况类似于向活体组织注射荧光染料帮助成像的医疗技术。开启激光后，光子经反复散射穿过隔板，光束变成了弥散光后照亮荧光字母π，光从字母上反射回来再次穿过隔板，在隔板这一边产生模糊的散斑图案，就像是试图透过浴帘看这个字母符号。

不过，这个字母的形状信息依然隐藏在散射光中。为了从中恢复信息，该团队记录下了散斑图案，然后移动激光光源，让其从不同的角度照射，再记录下新的散斑图。多次重复这一过程并逐个比较不同角度产生的图案，计算机就可以计算出这些图案之间是如何关联的。再据此进行逆向运算，就能重构出字母π的图像。

贝尔托洛蒂表示，这一研究是个进步，但依然不够理想：“当要成像的物体位于散射介质的另一侧时，这种方法才有用。”而在透视大脑内部或血管内部等很多医疗应用中，目标都是埋在身体组织里面的。

透视组织内部

目前，已有多个研究团队在尝试解决散射介质内部成像这一难题。2013年，加州理工学院的生物工程学家杨长辉及团队以前所未有的分辨率实现了一项壮举，他们分辨出了夹在两层人造不透明介质之间且直径仅有1微米的荧光球。

然而这种技术距离透视深层活体组织还有很长的路要走。实现这样的应用还面临着另一个难度更大的挑战：由于血液流动与呼吸作用，身体组织总是在移动，而此类技术仅适用于散射介质完全静止的情况。现在多数研究团队都大幅缩短了透视成像所需的时间，从莫斯克团队最初所需的约1个小时缩短到了几十秒。尽管这对于小珠或字母π成像已经足够好了，但对于体内的肿瘤成像来说还远远不够。

由巴黎卡斯特勒·布罗塞尔实验室的物理学家西尔万·吉加领导的团队在去年展示了一种仅用一张快照就可重构出隐藏物体图像的方法。吉加说：“当你看到算法重构出的最终图像时，你会觉得有点像变魔术。”贝尔托洛蒂认为，每种方法都各有其优缺点，截至今日，还没有哪种成像方法能脱颖而出：“与其寻找一种能应对所有问题的完美技术，不如开发能整合到同一台设备上的一系列技术。”

这项由生物工程师和医学物理学家开创的技术也可应用到许多其他领域。莫斯克认为这种技术可以用于艺术品修复。他说：“大部分画家作画时，都是把颜料逐层覆盖上去的，底下的颜料层也会在物理和化学层面影响整幅画的老化。如果想保护画作，了解里面的颜料层是什么也很重要。”此外，由于这类方法实际上相当于逆转了光的散射，也可以帮助通信行业解析因光的散射而产生的光纤噪声。这种技术同样适用于军事领域。士兵可以利用该技术透过便携的屏障观察前方，这种屏障可以是一块盾牌，也可以是一团喷射出的云雾。 芬克说：“这和隐形的效果有些类似，但又有不同：对方看不到你，你却能看到他们。”

本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。

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