新型攝像頭受蝴蝶眼睛啟發，有助改善圖像引導的癌症手術！

導讀

近日，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究團隊設計出一種模仿蝴蝶視覺系統的攝像頭，它不僅為外科醫生提供了傳統的彩色圖像，還提供了近紅外圖像，從而使得熒游標記的癌細胞能在明亮的手術燈下可見，有助於外科醫生改善圖像引導的癌症手術。

背景

大自然中的許多生物，天生地具有非常精妙的視覺系統，其中有些功能是人眼所無法企及的。例如，昆蟲及甲殼類等節肢動物的複眼系統，它由許多的小眼面組成，每個小眼面都可以獨立感光，分辨明暗及顏色。

（圖片來源於：維基百科）

作為一項仿生學技術，複眼技術已應用到運動目標監測、武器研究、機器人視覺系統等諸多領域。比如，德國弗勞恩霍夫研究院受昆蟲複眼啟發，研製出「小眼視覺」攝像頭，有望使得智能手機的攝像頭變得更薄。

（圖片來源： Fraunhofer IOF）

另外，美國斯坦福大學的研究團隊受到昆蟲複眼啟發，將微型鈣鈦礦太陽能電池單元組織在一起，形成一種蜂窩狀結構，防止鈣鈦礦材料受到濕、熱或者機械應力影響時性能出現退化，提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和耐用性。

（圖片來源：Dauskardt Lab/斯坦福大學）

再例如偏振光導航功能，螞蟻、蜜蜂、蟋蟀和候鳥等動物都有偏振光視覺系統，可利用太陽光在大氣中散射的偏振特性進行導航。昨天，筆者剛剛為大家介紹過一個模仿皮皮蝦眼睛的新型相機，它可以在水下採集偏振光信息，為水下導航定位以及海洋動物的遷徙行為，開啟新的可能性。

（圖片來源：維基百科）

今天，讓我們將目光轉移到一種新的動物：蝴蝶，它具有與生俱來的錯綜複雜的視覺系統，它們的視域更加寬闊，擅長感知快速移動的物體，能夠辨別紫外線、近紅外線和偏振光。

（圖片來源：維基百科）

創新

近日，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（ University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究團隊設計出一種模仿蝴蝶視覺系統的攝像頭，它不僅為外科醫生提供了傳統的彩色圖像，還提供了近紅外圖像，從而使得熒游標記的癌細胞能在明亮的手術燈下可見。

（圖片來源：Alex Jerez Roman 和 Jose Luis Vazquez）

研究團隊領頭人 Viktor Gruev 表示：「我們並不是將商用的光學器件和感測器放到一起，做成一個用於圖像引導手術的攝像頭，而是從大自然的視覺系統中汲取靈感。大閃蝶（morpho butterfly）的眼睛具有能感知多光譜信息的納米結構，可以同時獲取近紅外和彩色信息。 」

在美國光學會的高影響力研究雜誌《Optica》上，研究人員演示了他們的生物啟發攝像頭可用於檢測動物的腫瘤，並可用於評估人體的乳腺癌階段。即使是在標準的手術室照明條件下，這種新型攝像頭的熒光檢測能力也非常靈敏。它的重量不及一節AA電池，製造成本約20美元。

技術

Gruev
表示：「在手術期間，最重要的是保證所有癌變組織都被切除。我們設計了一種成像平台，幫助全世界任何醫院的外科醫生達到這一目標，因為這個成像平台小型、緊湊、便宜。儘管我們在儀器側作了處理，但是我們的技術還需要針對腫瘤並批准用於人體的熒游標記物，從而達到更廣泛的應用。其中一些正在進行臨床試驗，所以我們不久將看到該領域的進展。」

這種新型攝像頭在現有攝像頭基礎上進行了大幅改善，已經得到了美國食品和藥品管理局（FDA）的批准，在手術期間用於觀測熒游標記物。許多現有的近紅外攝像頭，在手術環境中，檢測熒游標記物的靈敏度不夠，所以為了觀測熒游標記物，室內燈光必須調暗。

現有的紅外成像設備還有另外一個問題，就是熒光圖像不一定與被拍攝的組織精準對齊，或者說配准。之所以發生這種情況，是因為FDA批准的儀器使用多個光學元件，例如分束器和中繼鏡，將可見光與紅外光分開，讓每一束光可以發送到獨立的檢測器上。室內輕微的溫度變化會影響這些儀器中的光學元件，引起圖像錯位。這種圖像錯位將導致外科醫生錯過腫瘤組織，而不必要地切除健康組織。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的博士後研究員、論文的領導作者 Missael Garcia 表示：「我們意識到，現有的紅外線成像儀所存在的問題，可以通過採用這種與大閃蝶中相似的納米結構來改善。它們的復睛包含相互緊挨著的光感受器，每個光感受器都能通過天生的配准，感知不同波長的光線。」

這種新型攝像頭非常類似蝴蝶的眼睛，讓不同的納米結構交織在一起，變成光感受器陣列，使得採用一個成像設備就可以採集彩色和近紅外熒光信息。探測器和成像元件被集成到單個單片集成感測器中，保證了設備的小型化、便宜以及不易受溫度變化影響。

（圖片來源：參考資料【2】）

這種設計通過讓每個像素吸收構建圖像所需的光子量，獨特地解決了靈敏度問題。它們不需要花費很長時間製造可見光波段的圖像，用於觀看人體解剖結構，因為實驗室的可見照明非常強。從另外一方面說，因為熒光非常微弱，所以需要花費更長的時間採集足夠的光子量，構建足夠明亮的圖像。通過改變感光時間，讓每個像素探測它所需的光子數量，在創建一幅明亮的熒光圖像的同時，不會使組織的彩色圖像過度曝光。

研究人員採用一個具有原發性乳腺癌的老鼠模型測試了他們的新儀器。這意味著癌症生長的確切位置以及癌細胞的數量都是未知的。採用綁定癌細胞的熒游標記，研究人員展示了他們的生物啟發成像器，能帶來高精度和高靈敏度的腫瘤檢測，超越FDA批准用於圖像引導手術的最先進的紅外攝像頭。

在美國聖路易斯市華盛頓大學醫學院的11名乳腺癌患者身上，研究人員也測試了他們的紅外攝像頭辨別淋巴結的能力。因為淋巴結是乳腺癌擴散的首要地點之一，外科醫生檢測它們以判斷癌症的階段。患者被注入FDA批准的吲哚青綠熒光染料，它被動地在淋巴結中堆積，然後來自生物啟發成像儀的熒光圖像會在屏幕上顯示出來，或者被投影到外科醫生使用的護目鏡上。

Gruev 表示：「我們展示了，在明亮的手術光線下，我們設備的靈敏度比目前批准用於紅外線圖像引導的手術所用的成像儀，對於熒光的靈敏度要高1000倍。因為生物啟發的成像儀能夠揭示組織深處的熒光，所以它加速了淋巴結的辨別，幫助外科醫生找到單靠肉眼眼力無法看到的淋巴結。」

價值

這種新型攝像頭設計有助於外科醫生移除所有癌細胞，而不損傷健康組織，降低癌症擴散的可能性，並減少手術次數。

據研究人員稱，生物啟發的成像儀可用於切除各種癌症，包括黑素瘤、前列腺癌、頭頸癌。因為它的體積小，所以也可集成到內窺鏡中，比如在結腸鏡檢查期間查找癌症。

Garcia 表示：「我們儀器的一大優勢就是它緊湊的尺寸。我們在空間很小的醫院中測試了我們的儀器，並且發現它不會干擾外科手術流程。」

研究人員現在正在創辦一個創業公司對於他們的生物啟發的成像儀進行商業化，並與FDA合作設計一個臨床試驗，讓外科醫生可以將新型成像儀作出的臨床決策與那些FDA批准的成像儀所作的臨床決策進行比較。

關鍵字

光學、仿生學、攝像頭、癌症

參考資料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/new_camera_inspired_by_butterfly_eyes_improves_ima/

【2】M. Garcia, C. Edmiston, T. York, R. Marinov, S. Mondal, N. Zhu, G. P.
Sudlow, W. J. Akers, J. Margenthaler, S. Achilefu, R. Liang, M. A.
Zayed, M. Y. Pepino, V. Gruev,. A bio-inspired imager improves sensitivity for near-infrared fluorescence image-guided surgery. Optica, 2018 DOI: 10.1364/OPTICA.5.000413

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