大自然有不可估量的生物，这些生物身上有各种各样神奇的特点，例如眼睛。很多生物的眼睛所带功能是人类无法企及的，特别是他们的复眼系统，是由很多小眼组成，每个小眼都独立感光，非常厉害。现在美国研究团队，把这样的特点融入到新型摄像头里，完全改善癌症手术治疗。到底是怎么改善癌症手术治疗的呢？马上来看看:
作为一项仿生学技能，复眼技能已应用到运动目标监测、武器研究、机器人视觉系统等诸多领域。比如，德国弗劳恩霍夫研究院受昆虫复眼启发，研制出“小眼视觉”摄像头，有望使得智能手机的摄像头变得更薄。
今天，让我们将目光转移到一种新的动物：蝴蝶，它具有与生俱来的错综复杂的视觉系统，它们的视域更加宽阔，擅长感知快速移动的物体，能够辨别紫外线、近红外线和偏振光。
创新
近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（ University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究团队设计出一种模仿蝴蝶视觉系统的摄像头，它不仅为外科医生提供了传统的彩色图像，还提供了近红外图像，从而使得荧光标记的癌细胞能在明亮的手术灯下可见。
研究团队领头人 Viktor Gruev 表示：“我们并不是将商用的光学器件和传感器放到一起，做成一个用于图像引导手术的摄像头，而是从大自然的视觉系统中汲取灵感。大闪蝶（morpho butterfly）的眼睛具有能感知多光谱信息的纳米结构，可以同时获取近红外和彩色信息。 ”
在美国光学会的高影响力研究杂志《Optica》上，研究人员演示了他们的生物启发摄像头可用于检测动物的肿瘤，并可用于评估人体的
乳腺癌阶段。即使是在标准的手术室照明条件下，这种新型摄像头的荧光检测能力也非常灵敏。它的重量不及一节AA电池，制造成本约20美元。
技能
Gruev 表示：“在手术期间，较重要的是保证所有癌变组织都被切除。我们设计了一种成像平台，帮助全世界任何医院的外科医生达到这一目标，因为这个成像平台小型、紧凑、便宜。尽管我们在仪器侧作了处理，但是我们的技能还需要针对肿瘤并批准用于人体的荧光标记物，从而达到更广泛的应用。其中一些正在进行临床试验，所以我们不久将看到该领域的进展。”
这种新型摄像头在现有摄像头基础上进行了大幅改善，已经得到了美国食品和药品管理局（FDA）的批准，在手术期间用于观测荧光标记物。许多现有的近红外摄像头，在手术环境中，检测荧光标记物的灵敏度不够，所以为了观测荧光标记物，室内灯光必须调暗。
现有的红外成像设备还有另外一个问题，就是荧光图像不一定与被拍摄的组织精准对齐，或者说配准。之所以发生这种情况，是因为FDA批准的仪器使用多个光学元件，例如分束器和中继镜，将可见光与红外光分开，让每一束光可以发送到独立的检测器上。室内轻微的温度变化会影响这些仪器中的光学元件，引起图像错位。这种图像错位将导致外科医生错过肿瘤组织，而不必要地切除健康组织。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的博士后研究员、论文的领导作者 Missael Garcia 表示：“我们意识到，现有的红外线成像仪所存在的问题，可以通过采用这种与大闪蝶中相似的纳米结构来改善。它们的复睛包含相互紧挨着的光感受器，每个光感受器都能通过天生的配准，感知不同波长的光线。”
这种新型摄像头非常类似蝴蝶的眼睛，让不同的纳米结构交织在一起，变成光感受器阵列，使得采用一个成像设备就可以采集彩色和近红外荧光信息。探测器和成像元件被集成到单个单片集成传感器中，保证了设备的小型化、便宜以及不易受温度变化影响。
这种设计通过让每个像素吸收构建图像所需的光子量，独特地解决了灵敏度问题。它们不需要花费很长时间制造可见光波段的图像，用于观看人体解剖结构，因为实验室的可见照明非常强。从另外一方面说，因为荧光非常微弱，所以需要花费更长的时间采集足够的光子量，构建足够明亮的图像。通过改变感光时间，让每个像素探测它所需的光子数量，在创建一幅明亮的荧光图像的同时，不会使组织的彩色图像过度曝光。
研究人员采用一个具有原发性乳腺癌的老鼠模型测试了他们的新仪器。这意味着癌症生长的确切位置以及癌细胞的数量都是未知的。采用绑定癌细胞的荧光标记，研究人员展示了他们的生物启发成像器，能带来高精度和高灵敏度的肿瘤检测，超越FDA批准用于图像引导手术的先进的红外摄像头。
在美国圣路易斯市华盛顿大学医学院的11名乳腺癌患者身上，研究人员也测试了他们的红外摄像头辨别淋巴结的能力。因为淋巴结是乳腺癌扩散的首要地点之一，外科医生检测它们以判断癌症的阶段。患者被注入FDA批准的吲哚青绿荧光染料，它被动地在淋巴结中堆积，然后来自生物启发成像仪的荧光图像会在屏幕上显示出来，或者被投影到外科医生使用的护目镜上。
Gruev 表示：“我们展示了，在明亮的手术光线下，我们设备的灵敏度比目前批准用于红外线图像引导的手术所用的成像仪，对于荧光的灵敏度要高1000倍。因为生物启发的成像仪能够揭示组织深处的荧光，所以它加速了淋巴结的辨别，帮助外科医生找到单靠肉眼眼力无法看到的淋巴结。”
价值
这种新型摄像头设计有助于外科医生移除所有癌细胞，而不损伤健康组织，降低癌症扩散的可能性，并减少手术次数。
据研究人员称，生物启发的成像仪可用于切除各种癌症，包括黑素瘤、前列腺癌、头颈癌。因为它的体积小，所以也可集成到内窥镜中，比如在结肠镜检查期间查找癌症。
Garcia 表示：“我们仪器的一大优势就是它紧凑的尺寸。我们在空间很小的医院中测试了我们的仪器，并且发现它不会干扰外科手术流程。”
研究人员现在正在创办一个创业公司对于他们的生物启发的成像仪进行商业化，并与FDA合作设计一个临床试验，让外科医生可以将新型成像仪作出的临床决策与那些FDA批准的成像仪所作的临床决策进行比较。
参考资料
【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
厚朴方舟2012年进入海外医疗领域，总部位于北京，建立了由全球权威医学专家组成的美日名医集团，初个拥有日本政府官方颁发的海外医疗资格的企业。如果您有海外就医的需要，请拨打免费热线进行咨询！
本文由厚朴方舟编译，版权归厚朴方舟所有，转载或引用本网版权所有之内容须注明"转自厚朴方舟官网（www.hopenoah.com）"字样，对不遵守本声明或其他违法、恶意使用本网内容者，本网保留追究其法律责任的权利。
上一篇：美国癌症研究院：五大癌症饮食误区有答案了！
下一篇：美国医疗前沿：基因治疗方法如何被用于治疗癌症？
全球服务热线：400-086-8008
全球咨询服务热线
