利用改良自天文学的技术，物理学家们正在寻找能透视不透明物质诸如活组织的方法。
情况看起来太好，简直不像是真的，阿拉德·莫斯克（Allard Mosk）说。那是在2007年，当时他正在荷兰恩斯赫德特温特大学与他研究组的学生伊沃·韦勒库普（Ivo Vellekoop）一起，把一束可见光照射到一面“固体墙”上――一个表面涂有白色涂料的载玻片――然后把光线聚焦到载玻片的另一面上。他们脑海中并没有一个特定的应用。“我做此尝试真的只是因为之前从未有人做过。”莫斯克说。事实上，这两位研究者并不曾期待收获比模糊成像更多的东西。
但是结果，他们的第一次尝试就产生了一束比他们希望看到的还要明亮100倍的光，锐利的如针刺一般。“实验的第一天一般是不会发生这种事的，”莫斯克惊呼，“我们当时还以为自己犯错误了，以为一定是因为在我们的载玻片上有一个小洞，才让光线通过的！”
但是载玻片上并没有洞，相反，他们的实验成为当年开辟了透视不透明障碍物的途径的两个相互独立的实验之一。迄今为止，它仍然只是一种实验室的演示实验。但是相关的研究进展很迅速。研究者们现在通过像老鼠耳朵这样薄的组织，已经能够获得高质量的透视图片，并且正在研究更深入的途径。如果他们能克服令人畏惧的挑战，比如处理会移动或伸展的组织，那么潜在的应用会很丰富。例如，从身体内部深处获得的可见光图像可能会消除侵入性活组织检查的必要性。或者能专注地用激光治疗大脑动脉瘤或是靶点不宜动手术的肿瘤，而无需再动外科手术。
“仅仅在十年前，我们还无法想象用可见光实现分辨率达到一厘米的高分辨率的体内成像，而如今这已成为现实，”华盛顿大学生物医学工程师汪立宏（Lihong Wang）说，“你可以说我疯狂，但是我相信我们将最终用可见光实现全身成像。”
丰富的来源
现在，用X射线和超声波窥视身体内部已成为可能，但是用这些工具产生的图像与那些用可见光本应该可以成像的图像相比，还是过于粗糙。部分原因是可见光成像往往具有更高的分辨率，汪立宏说。但是也因为可见光的波长与有机体分子会发生强相干作用，所以反射光充满了关于生物化学变化、细胞异常以及血液中葡萄糖和氧水平的信息。
但是，那些相干作用也会使可见光更容易发生散射和吸收。光吸收将会击溃任何成像努力：随着光子被吸收到物质中，光子采集的信息也会丢失。但是，散射则还留给我们一线希望。许多物质，比如皮肤、白色涂料或雾，是不透明的，只是因为穿过它们的光子会跳飞，直到它们彻底被加扰。但是它们并没有失踪，所以原则上来说，加扰是可逆的。
天文学家已经使用一种叫做“自适应光学”的技术解决了这种散射问题的一种类型，他们利用自适应光学技术还原了由大气层中的光散射给恒星、行星和星系的图像造成的扭曲变形。基本原理是收集来自一个明亮的参照恒星的光，运用一种算法计算大气是如何涂抹和模糊了其点状图像的。再用这种算法控制一面特别的“可变形的”镜子，它能取消大气造成的变形，把导向恒星的图像变成一个点，同时把其他遥远天体清晰聚焦。
不幸的是，这种技术很难在体内运用。深藏于生物组织的目标对象并不像恒星那样发光――它们必须从外面照亮――散射体要比那些大气中的散射光更密集。“你需要一个可变形的镜子的等价物，有数十亿个移动的部分来补偿由一个鸡蛋壳导致的散射。”巴黎朗之万研究所的光学物理学家奥利·卡茨（Ori Katz）说。这正是莫斯克和韦勒库普在开始实验的时候不抱太大成功希望的原因所在。不过，这对科学家从技术进步中增加了信心。“直到最近之前，如果你认为能控制一百万像素还是十分荒谬可笑的，但是到2007年，每一个智能手机都能做到这一点了。”莫斯克说。
因此，他们利用“空间光调制器”：这是一个类似于智能手机的液晶显示屏的设备，它能通过一个部分相对于另一个部分的延迟来控制激光束不同部分的传输。他们发射激光通过调制器到涂有涂料的载玻片，把一个检测器放置在载玻片以外，并且用一台计算机监视检测器收集了多少光线。计算机再把调制器的每一个像素的延迟相加和相减，经过一个反复试验的过程，来看看什么样的变化使激光通过载玻片时发生的散射最小化。实际上，调制器试图让入射光发生扭曲，而不透明的障碍物将会精确地消除这种扭曲。莫斯克和韦勒库普把这个算法运行了一个多小时，当算法跑完的时候，他们得到的结果打败了他们所有的预期：他们得到了一个比背景信号还要强烈1 000倍的焦点。
“莫斯克实验真是令人大开眼界，”卡茨说，“它改变了可见光能用来做什么的研究范式。”
在其实验成功后不久，莫斯克了解到加州理工学院的生物工程师杨长辉（Changhuei Yang）及其团队正在做类似的研究。
这些研究者使用了一种不同的技术来聚焦散射的可见光，并且使用了一种不同的不透明物质：一片很薄的鸡胸肉薄片。但是他们也对这个实验是多么容易做感到惊讶。“我原本以为我们会在这个实验上花费6个月的时间，如果实验不成功，我们将会把它记录下来作为一种学习经历，”杨长辉说，“但是实际上实验并没有想象中那么难。”
这两篇论文发表后不久，其他物理学家就蜂拥加入研究，这个领域一时之间变得炙手可热。其中一位是光物理学家雅格布·贝托罗蒂（Jacopo Bertolotti），他于2010年与莫斯克合作。贝托罗蒂现在在英国埃克塞特大学，说他是同时被“这个实验的美丽”和它给医学成像带来的可能性所吸引。但是他知道离这个目标的达成还有很长一段路要走。
贝托罗蒂面对的第一个问题是莫斯克的原始实验装置要求把一个摄像机放置在不透明的物质表面背后。这对医学应用而言是一个问题，因为把一个摄像机放在皮肤下面将会涉及外科手术，这会是侵入性的、危险的，极少值得冒险。但在2012年，贝托罗蒂、莫斯克和他们的同事设计了一种方法，同时把激光源和检测器放在物质表面的前头。
他们的目标是把一个发荧光的直径只有50微米的希腊字母π藏在一个很薄的不透明屏幕后面。这样，标靶差不多是一个细胞的大小，类似于涉及注射荧光染料到活组织以帮助成像的医疗技术。当激光打开的时候，光子将会弹跳穿过屏幕而产生荧光π的漫射照明。从字母上反射回来的光将会通过屏幕，在另一面产生一个模糊的斑点图案。这就像是试图通过一个浴帘看这个符号。
但是这个字母的形状依然被译成是散射光，为了恢复原来的形状，研究团队记录了斑点图案，移动激光用另一个角度照射，然后记录下新的斑点图案。通过反复这样做，并逐点比较所形成的斑点图案，计算机能计算出这些图案的相关性――由此，倒推回去重建隐藏的字母π。
那已经是一种进步，贝托罗蒂说，但是依然还不够好。“只有被成像的物体在散射介质的另一侧，这样做才有效。”他说。对于很多医学应用而言，比如观察大脑内部或血管内部，观察目标是埋藏在组织里面的。
由内向外
已经有许多研究组在破解散射介质内部成像的挑战，包括杨长辉的研究组和汪立宏的研究组。例如，2013年，杨长辉的研究组实现了这一壮举，以前所未有的分辨率识别出了夹在两个人工的不透明层之间的直径只有一微米的荧光珠子。
杨长辉与生物学家本杰明·裘德科威茨（Benjamin Judkewitz）以及团队的其他成员一起，通过照射介质，让光弹跳到介质的另一侧，然后用一面“时间反转”的镜子让光线反射回来，这面镜子能有效地迫使每一束光线准确地按原来的路线折回。但是，时间反转所有的光线将会仅仅消除所有的散射。所以，研究团队转而把一束不容易发生散射的超声波聚焦到介质的一点上，他们知道任何碰巧通过那个点的可见光都将发生轻微的频率偏移。然后在远处，研究者把时间反转的镜子以这样一个角度放置，使得它能仅仅反射那些发生频率偏移的光线。结果是一束很窄的时间反转了的光束，它能自动从那个焦点反射回来，把能量叠加到第一次通过焦点的光束中。这把超声波聚焦到了一个具有相对较高的辐射强度的点上――“一个墙内的手电筒”，裘德科威茨说，他现在在柏林的查理特大学医院。更好的是，超声波焦点能在介质内部移动。当它越过珠子时，珠子会发出荧光。
但是，这项技术距离看到组织的深层还很远，这提出了另一个更加艰巨的挑战：由于血液流动和呼吸的影响，组织的深层往往会不停地移动。“我们仍然没有足够接近医学应用，因为这些技术往往只有在散射介质完全随着时间静止不动的情况下才有效。”朗之万研究所的物理学家马蒂亚斯·芬克（Mathias Fink）说，他在20世纪90年代开创了一种仅仅使用超声波就能实现的时间反转技术。大多数研究组把莫斯克最初一小时左右的实验时间下降到了只有数十秒，卡茨说，这对珠子或字母π的成像是没关系的，但是对身体内肿瘤的成像则不行。
但是，去年，巴黎卡斯特勒布罗塞尔实验室的物理学家西尔万·吉冈（Sylvain Gigan）领导的研究团队，包括卡茨和芬克，证明了一种仅仅用一个摄像机镜头就能重建隐藏的物体的图像的方法。“当你看到算法会聚成最终的图像时，有点像魔术。”吉冈说。
汪立宏同意速度是关键。“一切都在运动，我们只有一扇毫秒尺度的窗口来成像，”他说，在一月份发表的一篇论文中，汪立宏和他的研究团队设法把速度下降到了5.6毫秒，“这速度足够快，可以选择活体成像。”而且，他们的标靶是从墨染色过的明胶制成的，夹在麻醉小鼠的耳朵和一个毛玻璃漫射器之间。在一个活老鼠身上取得成功让人印象深刻，贝托罗蒂说――尽管他指出“从一个相对较薄的老鼠耳朵到对人的皮肤和肉体成像，还需要做很多额外的工作。”
截至今日，贝托罗蒂补充道，仍然还没有一种成像方法能够脱颖而出，每一种方法都有各自的优缺点。“与其开发一种对一切都很好的技术，我认为我们还不如开发一套技术，有朝一日能全部整合到相同的仪器设备上，”他说，“我不知道多久才能实现，但是这是一个年轻的快速前进的群体，所以也许在几年之内就能实现。”
现在生物工程师和物理学家正在为医学开创的成像技术也能用于很多其他用途。例如，莫斯克相信这些方法可以作为艺术品修复的一种工具。“大多数画家的作品都会建立很多图层，下面的图层会影响画作的化学和物理老化过程，所以如果你想保存画作的话，去了解下面的图层中有什么是具有一定意义的。”他说。实际上，让光不发生散射的方法同样也可帮助电信行业解扰光纤中由散射光造成的噪声。
这项技术另一个明显的客户是军队，芬克说，他认为这项技术能用于让士兵看穿一个便携式盾牌――无论是物理屏幕或喷雾――能让他们从敌人的视线中隐蔽起来。“这与变得不可见不一样，但是它能让你看见他人而自己不被发现。”他说。
当他们梦想这项技术的应用前景时，这个年轻领域几乎所有的科学家都会激动万分。但是，吉冈热衷于让这项技术的应用保持光明正大。“当我们告诉人们我们在做什么的时候，一些人总是问我们是否会创造一个让人们透过浴帘偷窥的手机应用程序，”他说，“这种事情用我们的技术是可以实现的，但是我们不打算去做。”
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐