Wie können wir Licht zu sehen, im Inneren des menschlichen Körpers

Menschenfleisch ist undurchsichtig. Wie jede gutes Wörterbuch wird Ihnen sagen, bedeutet dies, dass es hat die Qualität der "nicht durchscheinend; undurchdringlich zu sehen sein." Nun, vergessen: Wissenschaftler jetzt können Licht im Inneren Objekte sehen, die traditionell für das menschliche Auge gesperrt wurden – einschließlich unserer Körper.

Natürlich ist es bereits möglich, Röntgen, MRT, Ultraschall und dergleichen zu verwenden, um im inneren Menschen blicken, aber Ergebnisse sind nie so scharf und klar wie die erworbenen mit sichtbaren Licht-Bildgebung. Nicht nur das: optische Wellenlängen interagieren auch mit organischen Molekülen – derjenige wir sind aus – so dass sichtbares Licht auch wichtige Informationen über das Gewebe enthalten könnte, es durch reist. Es könnte zeigt Anomalien in den Zellen, zu sagen oder zu verwenden, Informationen über Körperfunktionen – etwas, das andere bildgebenden Verfahren wie MRT, auf komplexe chemische Tracer Rückgriff zu erreichen. Und, vielleicht am wichtigsten ist, ist es auch nichtionisierende, was bedeutet, dass im Gegensatz zu Röntgenaufnahmen und CT-scans, es nicht erhöht Krebsrisiko bei den Intensitäten für die Bildgebung verwendet.

Inkohärente Bildgebung

Aber senden Licht durch etwas undurchsichtig ist eine Herausforderung. Senden Sie ein Lichtimpuls in den menschlichen Körper und das meiste davon ist von der Oberfläche reflektiert – d. h. nach allem, was erlaubt uns, unsere Haut zu sehen. Aber wie wer durch doppelt verglaste Fenster schrie wissen wird, nur weil die meiste Energie spiegelt sich – in diesem Fall als Echo – ein wenig der es breitet sich unweigerlich durch die Oberfläche. Es ist nur schwer herauszufinden, was zu machen. Leider hat als strahlendes Licht in das Gewebe, das abgeschwächte Signal, das durch macht noch andere Barrieren zu kämpfen, wie Zellen absorbieren und streuen es bei jedem Schritt. Es ist nicht unmöglich, Informationen aus dem Streulicht zu erfassen – wie wir sehen werden – aber es ist schwierig. Leichter, stattdessen zu machen nutzen Sie was Licht direkt zurück reflektiert wird.

Anfang der 1990er Jahre verwendet eine Technik, optische Kohärenztomographie bezeichnet ein Phänomen namens Interferometrie um Bilder zu erzeugen. Licht aus einer einzigen Quellen wurde in beiden Teilen gebrochen: einer gehalten als eine Referenz, andererseits schien auf eine Probe. Kombiniert die Reflexion von Licht glänzte an der Probe mit, dass in dem Referenzarm eine Interferenzen Muster erstellt, aber nur für ein einziges Mal der Flug, wo das Licht die gleiche optische zurückgelegte Strecke hatte. Durch einen Spiegel nach oben und unten den Referenzarm scannen, war es möglich, den Eingriff in allen tiefen für einen einzelnen Punkt zuordnen. Den Lichtstrahl auf die Probe entlang auf die Seite zu bewegen, dann wieder und wieder, und Sie erstellen eine 2D Bilder, wie bei der oben genannten (das ist ein Sarkom auf der menschlichen Haut). Das Licht in einer anderen Achse zu bewegen, und Sie erstellen eine 3D Bilder, wie die unten (das ist ein Fingerabdruck, schauen Sie sich die Rillen).

Nur, die Technik beschränkt auf imaging-Gewebe in einer Tiefe von weniger als 1 Millimeter unterhalb der Oberfläche. In größeren Tiefen ist zuviel Licht verloren, drehen das Bild in Müll. Dennoch diese Abstände sind sicher genug, um die oberen Schichten der Haut Bild und Technik auch sinnvolle Anwendungen in Opthalmic Kreisen auf die Netzhaut Bild gefunden — weil, und dies kann nicht überraschen, strahlendes Licht durch das Auge ist eigentlich ganz einfach.

Bild und Ton

Drehe die Intensität und die Änderung der Lichtquelle, und einige interessante Dinge geschehen. In den frühen 2000er Jahren erkannten Forscher, dass sie Strukturen, die undurchsichtig scheinen vorstellen könnte durch Laser Lichtpulse in biologischen Geweben zu Pumpen. Im Gegensatz zu optischen Kohärenztomographie, ist nicht das Licht reflektiert oder sogar in einer fathomable Art und Weise verstreut – vielmehr ist es durch das Gewebe absorbiert. Im Gegenzug diesen Abschnitt sehr kurz wärmt, erweitert, kühlt und Verträge, in den Prozess erzeugt eine Änderung im Druck, die sich manifestiert, wie eine hohe Frequenz klingen Puls. Das heißt, das eingespritzte Laserlicht verwandelt sich den Körper selbst eine Art von Ultraschall-Quelle – und durch die Messung des Ton, der ausgegeben wird, ist es möglich, ein Bild von der Gewebestruktur zu bauen.

Glücklicherweise die Frequenz des Tones emittiert ist relativ hoch – in der Größenordnung von zehn Megahertz – die bietet eine Auflösung des Ordens zehn Mikrometer. Nicht präzise genug zu sehen, was auf der subzellulären Ebene, aber sicher genug, um zu verstehen was im Körper geschieht —, Tumoren, sagen vor Ort. Vielleicht die meisten überzeugend ist die Tatsache, das es sein kann, verwendet, um in tiefen zu sehen, die wirklich zu machen, eine nützliche und brauchbare bildgebende Verfahren in einer medizinischen Einstellung beginnen – mindestens 3 Millimeter und vielleicht bis zu Zentimetern. Aufgrund der Art und Weise Blut absorbiert Licht – viel leichter als die meisten der Gewebe in Ihrem Körper ist wie — Photoacosutic Bildgebung hat einige Erfolge im Bereich der bildgebenden Blutgefäße gefunden. Folgende Abbildung zeigt beispielsweise ein Melanom in eine Maus und das Gefäßsystem, das es umgibt.

Es werde Licht

Aber wir schweifen ab. Photacoustic Bildgebung ist nicht wirklich in den Körper mit Licht sehen – es nutzt lediglich Licht als Starthilfe ein Prozess. In den letzten Jahren wurde als Versuch, das Licht zu verwenden, die verstreut hat, nicht reflektiert oder absorbiert, zum Bild, was in undurchsichtige Proben liegt. "Unsere Technik beruht auf der Tatsache, dass selbst wenn es völlig undurchsichtig ist, verschlüsselte Bereich durch ein leuchtendes Objekt, das scheint völlig und hoffnungslos zufällig, einige Informationen über dieses Objekt enthält, erzeugt", erklärt Sylvain Gigan, ein Physiker an der Kastler Brossel Labor in Paris. "Unter bestimmten Bedingungen zeigten wir abrufen, konnten wir mittels clevere Algorithmen und Dank an das tiefe Verständnis des Prozesses Streuung."

Die Technik, die Gigan anspielt, erklärt ein kürzlich erschienenen Artikel in der Natur von Theorien, die vor kurzem von Astronomen entwickelte leiht. Sie arbeite, wie Verzerrung in Bilder von Sternen, entfernen, die erstellt wird, da Licht durch die Atmosphäre auf dem Weg zu dem Teleskop-Objektiv gestreut wird. Es, ein Verständnis, das ein Stern als einen einzigen hellen Fleck erscheinen wird verwendet, um herauszufinden, wie die Atmosphäre Licht gestreut hat, und ein Algorithmus verwendet, um die Auswirkungen zu korrigieren. Im Jahr 2008 ein Team zeigte, dass eine räumliche Lichtmodulator – ein Gerät, das einen Laserstrahl lenken konnte, durch die Verzögerung Teil davon relativ zu einem anderen – Licht in einem undurchsichtigen Objekt, und einige des gestreuten Lichts eingefangen von einem Detektor auf der anderen Seite Pumpen konnte. Mit Wissen von wie es verzögert war, wenn es übertragen wurde und dass es eine helle, einzelne Stelle ursprünglich, war es möglich, erkannten Licht verwenden, um ein Bild des subtilen Variationen in der undurchsichtigen Barriere aufzubauen, die die Streuung hervorrufen würde – und daher es Bild.

Weitere Experimente haben gefolgt, mit dem primären Ziel, den Detektor zu verlagern, so dass es neben der Sender sitzt, so dass es möglicherweise sinnvoller für peering in den menschlichen Körper. Das wird durch die Tatsache ermöglicht, die Photonen prallt in eine Probe ihrer eigenen, schwache Beleuchtung ihrer Umgebung bieten, die wiederum von einer Struktur reflektiert und vom Detektor empfangen werden kann. Gezeigt, dass ist sicherlich schon für fluoreszierende Objekte in dünne opake Proben zu arbeiten – in diesem Fall ein π-Symbol – durch Scannen eines Lasers über die Oberfläche einer Probe und dann mithilfe von Algorithmen, um ein Bild davon, was darunter liegt zu rekonstruieren. Gigan hat auch diese Arbeit weiter, genommen in der Lage, ähnliche Ergebnisse aber jetzt in einem einzigen Schuss zu erzielen.

Der Dunkelheit vor dem Morgengrauen

Es ist doch wohl, frühen Tagen für diese Techniken. "Es gibt noch viel Raum für neue Physik und wichtige technische fortschreitet, um sie Wirklichkeit werden zu lassen", erklärt Gigan. In der Tat andere Forschungsgruppen verwenden ähnlich denken aber verschiedene Techniken, um ähnliche erreichen endet. Am Caltech benutzt Professor Changhuei Yang Ultraschall, um eine nachvollziehbare Frequenzverschiebung in Laserlicht, induzieren, die es ermöglicht, eine Karte des Streulichts aufzubauen, durch die Verlagerung des Schwerpunkts des Klangs. Lihong Wang, einem biomedizinischen Ingenieur an der Washington University in St. Louis, hat sogar ähnliche Techniken verwendet, um ein Stück von gefärbten Gelatine unter einer Maus Ohr präzise abbilden.

Sicherlich ist Fortschritte erzielt. Aber auch wenn im Inneren des Körpers mit Licht sehen durchaus nicht klappt, kann es auch keine Rolle. "Ich denke, dass künftig in naher Zukunft imaging nicht unbedingt das primäre Ziel ist", erklärt Yang. "Die Möglichkeit, frei Fokus leicht tief im Gewebe ermöglicht eine zum Starten Abtragschritt Gewebe ohne Schädigung der oberflächlichen Gewebeschichten. Darüber hinaus ermöglicht tiefe Gewebe biochemische Analysen zur Diagnose von Krankheiten." Unabhängig davon, wie die Forschung, dann verschiebt ist ein helles Licht am Ende dieses besonderen Tunnels.

Obere Bild von Soreen D unter Creative Commons Lizenz