TED演讲 | 驾驭光影,取代核磁共振的便携医学成像设备

▎药明康德/报道

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今天,中风后的一到两个小时内,要用核磁共振仪来扫描(判断中风类型)。未来,有了这个小巧,可携带,又不贵的成像技术,每一台救护车和每家医院都能及时判断,并采取正确的医治方式。

Today, that means access to an MRI scanner within an hour or two of a stroke. Tomorrow, with compact, portable, inexpensive imaging, every ambulance and every clinic can decode the type of stroke and get the right therapy on time.

演讲实录

人们不了解这个红光和这个温和的近红外光可以穿透你的手,就像这样。利用这个原理,可以实现更好,更快,更便宜的医疗护理。半透性是关键。我即将要向各位展示,如何利用这一点以及其他的关键性能来看透我们身体与大脑深层。

各位看到这支激光笔和我手上这个光点了吗?这道光穿透了我的手,但各位已经看不到那个激光点了,只看到我手上的光晕,那是因为光线分散了,我需要各位先了解什么是光的分散现象,这样才能让各位明白如何摆脱它,并看到我们身体与大脑的深层内部。

这里有一块鸡肉。它是生的。我戴上手套。鸡肉和人肉有相同的光学特性。这是鸡肉…把它放到光上面。各位有看到这道光穿越过鸡肉了吗?我在鸡肉里植入了一块肿瘤。你们有看到吗?

观众:有。

讲者:这意味着利用红光和红外线光,我们可以看到人身上的肿瘤。但有一个问题。如果我再放上另一块鸡肉,光仍然可以穿过去,但你看不到肿瘤了。那是因为光被分散了。所以我们要想办法克服光线分散的问题,这样我们才能看到肿瘤。我们要把光反分散。

在职业生涯的早期,我研究实现反散射的技术。它叫全息影像技术,在上世纪70年代获得了诺贝尔物理奖,这个神奇的技术,可以帮你处理光的问题。这个就是全息影像。它能捕捉到所有的光,辐射,所有光子的入射位置与角度,在同一时间内全部捕捉到。很神奇。

为了理解这个全息影像装置可以做些什么,请各位注意看这些正在障碍物上弹跳着的弹珠,这就像是光在我们体内散射的现象。当这些弹珠在这迷宫似的弹珠台上往下掉时,它们会到处乱跑,散开,弹跳。如果我们在荧幕底部记录它们的全息路径,就能记录到所有弹珠穿越迷宫时各自的位置与角度。然后我们可以把弹珠从下面带上来,透过全息影像装置,导引每颗弹珠以正确的位置与角度回弹,使它们回到一开始从散射矩阵掉下来的地方。

我们要用这个来做。这个东西的光学特性跟我们人类的大脑很像。我现在要换到绿光,因为绿光对人类的肉眼而言,比红光或红外线来得更明亮,我真的需要各位看清楚这个。我们要在这个类似人脑的物体上,放上一个全息影像装置,然后从它后面打光。看起来不可思议,但真的可以。这是你们将要看到的装置:绿光,全息影像装置放在这里,绿光打进去,这是我们的大脑,然后一股绿光从里面出来了。我们刚做了高密度散射组织的大脑辐射。看起来很不可思议,之前没有人这样做,各位是我第一次公开展示的观众。也就是说,我们可以看到组织的深层内部。我们的半透明性是第一个关键。全息影像装置的反散射作用是第二关键。

各位可能在想,“听起来不错,但头颅和骨头呢?不看穿骨头,怎么能看穿大脑呢?”是的,这是真实的人头骨。我们很尊重这个头骨,不管是在实验室或TED演讲现场。就如各位所看到的,红光透过去了,穿透了我们的骨头。所以只要用红光就可以穿透我们的头骨,骨头,肉体。γ射线和X光也可以,但可能会引发肿瘤。而我们的生活周遭都是红外线。

我继续用那个装置向各位展示比大脑辐射更有用的东西。我们挑战自己到底能把脑组织看到多细微。要聚焦看大脑,它的聚焦是如此细微,我们在它前面放了一粒相机裸晶。你们看到了吗?每个像素的宽度为千分之二毫米,也就是二微米大小。意思是,那一点的焦距,半宽波长(FWHM)是六到八微米。为了让各位更容易了解,这相当于人类大脑里最小神经元的直径。也就是说,我们能穿透头骨和大脑直接聚焦神经元。

这是用我们的系统办到的重大突破。这可不是仅仅50颗弹珠而已,而是有上亿,上兆的光子全都按照全息影像装置的指挥排好了,弹跳似地闪过密密麻麻的大脑组织,最后通通聚焦到一个点。很厉害。我们很兴奋。

这是核磁共振仪。这一台要好几百万美金,占用一个房间,很多人可能用过。我在一台里面待了很久。它的影像清晰度大约是一毫米,比起我刚展示给各位看的,算是比较大。用我们技术做的系统,可以大大降低成本,增加解析度,医学成像更精细。这是我们已经开始做的事。我的团队和我建了个实验机台来扫描细胞组织。上面是它正在运作的样子。我们想知道能做到多好。成果就是,我们找得到肿瘤,在这个七厘米厚的样本里找得到,光线从这里进去,0.5毫米的解析度,那是它找到的肿瘤。

各位可能在想,“这系统看起来是不错,但还是有点大。它比核磁共振仪要小。但还能把它缩得更小吗?”答案是:当然没问题。这个系统里的每个大零件都能用小零件取代——小型的集成电路,像小朋友指甲一样大小的显示晶片。

聊一下我的背景:在过去的二十年里我一直在光学物理的尖端领域里,发明、开发原型,推出了数十亿美元的有客制晶片的消费性电子产品。我的团队和我建了这个大型实验机台,来完善我们的作品,并在极端条件下做测试,在大量制造生产前,花好几百万小心翼翼地微调我们的晶片设计。我们发明的新晶片把系统瘦身了,速度变快了,可以快速扫描及反散射光线,好深入检视我们身体的内部。这是实现更好,更快,更便宜医疗保健的第三个关键。这个实体模型可以取代价值好几百万的核磁共振仪的功能,而且可以达到消费性电子产品的价位等级,你可以像绑绷带,戴雪帽那样穿戴,或放在枕头里。那是我们正在开发的产品。

你可能会想,“我把光打进了身体,甚至有了全息影像装置来反分散光源。但我们到底是如何使用这个新的晶片产品来进行扫描的?”

我们用声音,没错,我们用声音。这三个碟子代表我们设计的集成电路。其中一点,一个晶片,会发出声音,声音会集中往下传递,然后我们把红灯打开。红光经过那个声音点会稍微改变颜色,有点像是警笛快速经过你身边时所产生的声音变化现象。

所以,这就是全息影像技术的另一件事。只有颜色完全相同的两条光束才能产生全息影像。从声音点出来的橘色光,颜色稍微变了,我们在相邻晶片的下方建了个泛着橘光的碟子,然后相机晶片会记录全息影像。就像这样。

我们可以从全息影像中抽取与那个声音点有关的讯息,因为我们把所有的红色光滤掉了。然后,我们可以选择将光线聚焦到大脑中,以刺激部分的神经元或大脑。接下来转移声音焦点到另一个位置。用这样的方式一点一点地扫描大脑。

我们的晶片可以解读全息影像,这有点像是罗莎琳·富兰克林第一次解析出DNA结构。用我们的晶片,以电子的方式记录图像并解码信息,仅仅用了百万分之一秒。我们的扫描速度很快。

我们的系统在寻找血液时可能非比寻常,因为血会吸收红光及红外线光。血是红色的。这烧杯里有血液。我展示给你们看。这是我们的激光射过去。这真的是激光,你看,射进去了。跟这些相比,光散射到各处。这就是关键:血会吸收光,肉会把光散射掉。这很重要,因为每个大于1-2立方毫米的肿瘤,它周围的血液是正常组织的五倍。

所以可以想象,用我们的系统,在容易治疗的早期就发现肿瘤,或追踪肿瘤的变大或缩小。我们的系统寻找缺血部位表现也应该不错,比如动脉阻塞方面的检测;或者用于检测神经元的活动,因为随着血液中携带氧气的变化,血液颜色也会变化。有人说“太阳光”是最好的消毒剂。真的是这样。研究人员可以将光照入肺部深处来杀死肺炎,我们的系统可以无创地实现这一目标。

我再多举三个例子来说明这项科技可以为我们做些什么。第一:中风。中风的原因主要有两个:脑血管堵塞和脑血管破裂。如果你能在一到两个小时内判定是哪一种类型的中风,就可以服用正确的药物,大大地减少脑部受损的危险。吃错药,病人就会完蛋。今天,中风后的一到两个小时内,要用核磁共振仪来进行扫描(判断中风类型)。未来,有了这个小巧,可携带,又不贵的成像技术,每一台救护车和每家医院都能及时判断,并采取正确的医治方式。

第二:这世上还有三分之二的人无法获得医学影像服务。这个小巧,可携带又不贵的医学成像技术能拯救无数性命。

第三:人脑与电脑的沟通。我在台上已向各位展示,我们的系统可以穿透头骨精准地观测到最小的神经元。你可以利用光及声音来刺激或抑制神经元的活动;同时,我们的规格不输给功能磁共振的成像扫描仪,可以用来测量脑部的氧气消耗量。我们通过观察血液的颜色变化来做到这一点,而不是用一台两吨重的磁铁仪器。你们可以借由共振成像扫描仪来想象,我们的技术能解码扫描到的文字,图片,梦境。我们正在把这三个功能结合在同一个系统里,利用光与声音来读写神经元,同时扫描脑中的含氧量,全部集合在无创的可携装置里,可促成人脑与电脑的沟通,无需植入,无需手术,不用考虑脑部开刀。这可以为全球两百万深受脑部疾病困扰的人带来很多益处。

人们问我这项技术能看到多深。答案是:全身。刚刚我整颗头亮了,想要再看一遍吗?这看起来很吓人,但实际并不可怕。真正可怕的是不懂我们的身体,大脑,疾病,以至于不能有效地治疗。这项科技可以帮助我们。

Mary Lou Jepsen教授是全世界在光学、成像显示方面最重要的工程师和科学家之一,同时在麻省理工学院和澳大利亚皇家墨尔本理工学院任职,同时还是Openwater公司的创始人兼CEO。她推动了光学和物理学的可能性,制造新型设备,领导团队并和大型工厂合作,大量制造这些奇怪的新事物。(图片来源:TED官网)

参考资料:

[1] Mary Lou Jepsen. (2018). How we can use light to see deep inside our bodies an brains. In TED. Retrieved November 30, 2018, from https://www.ted.com/talks/mary_lou_jepsen_how_we_can_use_light_to_see_deep_inside_our_bodies_and_brains

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