波前整形：从望远镜到生物组织

加州理工学院Andrew和Peggy Cherng医学工程系的研究人员通过从天文学领域汲取灵感，在医学成像方面迈出了重要的一步。

描述这项研究的论文于23月<>日发表在Nature Photonics上，标题为“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。地球的大气层就是所谓的散射介质;它散射光线，使图像显得没有聚焦和浑浊。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。它类似于戴着主动降噪耳机的人来对抗环境噪音。

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泵送会产生快速变化的扭曲或混浊。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扭曲，医学工程研究人员已经探索了使用波前整形来抵消生物组织引起的扭曲。

“当光线像一块组织一样穿过散射介质时，它会散射到各个地方。这意味着我们不能直接将光聚焦在组织深处，“医学工程和电气工程布伦教授，该论文的通讯作者Lihong Wang说。“散射具有累积效应。散射光子通过的越多，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关注生物组织。

Wang的实验室使用光折射晶体充当“魔镜”，抵消组织引起的光失真。

这个过程是这样的：如果你盯着标准的浴室镜子，你会看到一个清晰、不失真的自己形象。将玻璃瓶举到自己和镜子之间的眼睛上，你会看到一个扭曲、模糊的自己形象。这是因为瓶子在到达镜子和从镜子返回进入眼睛的途中扭曲了光波。“魔镜”中的“魔力”是通过逆转波浪所经历的失真来保持波形(称为波前)的能力。换句话说，返回的光在到达镜子的途中和返回给您的途中都经历了相同的失真，但发生了逆转，导致失真自行抵消。当这些波前再次穿过瓶子时，结果是你自己的清晰图像，就好像瓶子不存在一样。

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。以前的方法无法满足所有三个要求。

第一个关键指标是速度。由于生物组织是活的和移动的，整个波前整形过程必须在一毫秒内完成。“只有在时间反转过程中，同一位置的相同物体处于相同状态时，我们才能消除波前失真，”王说，他也是Andrew和Peggy Cherng医学工程领导。

第二个关键指标是所谓的“控制自由度”。与早上穿衣服时可能使用的传统镜子不同，波前整形中使用的“魔镜”由许多小镜板组成。面板越多，研究人员就越需要调整和塑造光波以抵消失真。

第三个关键指标，也是对王和团队来说最具挑战性的指标，是镜子的亮度或反射率，即所谓的“能量增益”。由于“魔镜”用于具有高控制自由度的高速波前整形，反射率通常太暗而无法有效。研究小组找到了如何生产激光的解决方案。

当光波通过具有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。这个过程放大光波，形成直线传播的光——称为激光。同样，激光增益介质用于放大到达魔镜并从魔镜反射的散射光波。“打个比方，这种增益介质可以让魔镜更闪亮;可以这么说，它打磨了镜子，“王说。魔镜本身保持不变，而进出镜子的光线变得放大和更亮。

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的图像。转化为医学工程，这种医学波前整形的新过程有可能专注于组织以检测皮肤下的癌症。

“我们报告了这种技术，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是第一次得到满足，“王说。“这是向前迈出的重要一步。

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