科學(xué)家發(fā)明了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來,使得天文望遠(yuǎn)鏡能夠看到遙遠(yuǎn)星星的“本來面目”。所謂自適應(yīng)光學(xué)技術(shù),就是通過實(shí)時探測、控制、校正光學(xué)波前誤差,使光學(xué)系統(tǒng)能夠看得更清楚。
觀測人眼的手段
為了拓展自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用范圍,美國人率先提出將這種技術(shù)應(yīng)用到人眼視網(wǎng)膜上,來獲取更清晰的圖像。成都科奧達(dá)光電技術(shù)有限公司,在2003年研制出了成像更為清晰的37單元視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)儀。
用天文望遠(yuǎn)鏡來觀察眼底———這不是高射炮打蚊子,而是中科院光電技術(shù)研究所下屬的成都科奧達(dá)光電技術(shù)有限公司(以下簡稱“科奧達(dá)光電”)歷時20多年研究發(fā)明的一種醫(yī)療設(shè)備。
原本“看星球”的技術(shù)現(xiàn)在“看眼球”
眼睛是人體寶貴的感覺器官,是獲得外界信息的重要窗口。然而,青光眼、視網(wǎng)膜黃斑疾病、視網(wǎng)膜變性等疾病的困擾,讓很多人原來清晰的世界變得渾濁甚至黑暗。像癌一樣,這些眼底疾病越早發(fā)現(xiàn),越有利于治療,因此,眼底疾病的診斷顯得尤為重要。
但是,要在早期發(fā)現(xiàn)這些眼底疾病必須借助觀測設(shè)備。而目前醫(yī)院常見的一些觀測設(shè)備,分辨率不能滿足醫(yī)生的需要,病變早期更是難有作為。如何讓眼底觀測設(shè)備看得更清楚?天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展給了科學(xué)家們啟示。
從理論上講,天文望遠(yuǎn)鏡的口徑越大,分辨能力就越強(qiáng)。然而,在地面用大型望遠(yuǎn)鏡透過地球稠密的大氣層觀測星體時,由于“大氣湍流”的干擾,光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際分辨力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論上所預(yù)期衍射極限。為解決這個問題,科學(xué)家發(fā)明了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來幫助天文望遠(yuǎn)鏡。
所謂自適應(yīng)光學(xué)技術(shù),就是通過實(shí)時探測、控制、校正光學(xué)波前誤差,使光學(xué)系統(tǒng)能夠看得更清楚。它由波前傳感器、波前控制器和波前校正器三個部分組成,傳感器感應(yīng)到從遠(yuǎn)方星體到望遠(yuǎn)鏡的光束,波前控制器測量出的波前誤差,并將信息傳遞到波前校正器,校正器便會調(diào)整反射鏡,將原本經(jīng)過大氣已經(jīng)被扭曲的光束波面經(jīng)過反射后接近理想波面,再聚焦到探測器上,從而使得望遠(yuǎn)鏡能看到遙遠(yuǎn)星星的“本來面目”。
自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)就像是給天文望遠(yuǎn)鏡加了一個“視力”矯正器。由于有了這項(xiàng)技術(shù),人類已能夠通過天文望遠(yuǎn)鏡觀測到離地球幾十甚至上百光年遠(yuǎn)外星系。
用“天文望遠(yuǎn)鏡”觀測眼底
中科院光電技術(shù)所的副研究員戴云介紹,人的眼睛同樣是一個光學(xué)系統(tǒng),也存在一些光學(xué)像差。因?yàn)楣鈱W(xué)像差的存在,眼底的診斷儀器在觀察人的視網(wǎng)膜時,往往也會遇到“看不清楚”的問題。
傳統(tǒng)的觀察人眼的手段,光束從外界射入人眼內(nèi),再反射出來后,由于光學(xué)像差的存在,光束形成的波面容易發(fā)生扭曲,從而無法聚焦清楚,也就無法形成更為清晰的圖像。而加了“矯正器”以后,用一束半導(dǎo)體激光從瞳孔射入眼內(nèi),經(jīng)人眼會聚后在眼底形成一個光斑,經(jīng)眼底反射后從瞳孔射出,由波前傳感器測量光學(xué)像差,再將信息傳輸?shù)叫U鳎U鞲鶕?jù)測量結(jié)果做出調(diào)整,將內(nèi)置的反光鏡通過電壓變形,使得光束經(jīng)過后,反射出的光束波面不再扭曲,達(dá)到理想效果。這樣就可以“拍”到細(xì)胞級高分辨的眼底視網(wǎng)膜圖像。
從1979年開始,中科院光電技術(shù)所就致力于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的研究,并在1990年用研制的“21單元星體成像自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)”,實(shí)現(xiàn)了對星體目標(biāo)的大氣湍流校正成像。使我國成為繼美國和法、德聯(lián)合研究組之后,世界上又一個實(shí)現(xiàn)星體目標(biāo)實(shí)時校正成像的國家。
“后來,為了拓展自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用范圍,美國人率先提出將這種技術(shù)應(yīng)用到人眼視網(wǎng)膜上,來獲取更為清晰的圖像。”戴云介紹,從1997年開始,光電所便開始進(jìn)行市場調(diào)查和前期研究。1999年,光電所研制出了代19單元視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像儀。2003年,研制出了成像更為清晰的37單元視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)儀,開始進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段。
而所謂的“19單元視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像儀”,是指校正器(可變形反光鏡)內(nèi)的19個驅(qū)動器,驅(qū)動器越多,校正器可以適應(yīng)的情況越多,就越能針對光束的光學(xué)像差做出改變。因此,到第二代的“37單元視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像儀”,儀器的分辨率更高。
相對現(xiàn)在市面上的診斷儀器而言,視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像儀的分辨率更高,能幫助醫(yī)生及時發(fā)現(xiàn)患者眼底存在的早期病變并確定病程,在眼底診斷方面取得突破性進(jìn)展。據(jù)了解,“37單元視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像儀”是全球首臺面世的將天文觀測中的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用到眼底診斷的儀器,并有望成為全新意義上的眼底診斷標(biāo)準(zhǔn)儀器。
還需要進(jìn)一步建立圖像與眼病的對應(yīng)關(guān)系
“現(xiàn)在市面上大部分的檢查儀器或者手段,包括眼底相機(jī)、熒光造影以及OCT光學(xué)設(shè)備等,它們的橫向分辨率一般都在10微米左右,而我們的分辨率可以達(dá)到2至3微米,分辨率更高。”戴云介紹,眼底視網(wǎng)膜作為眼球內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜精細(xì)的部分,有多層細(xì)胞和毛細(xì)血管,人體的一些眼部病變,在身體還沒出現(xiàn)不適反應(yīng),或常規(guī)醫(yī)療手段還檢測不出問題時,眼底視網(wǎng)膜毛細(xì)血管就已出現(xiàn)變窄或硬化的現(xiàn)象,視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像儀就可以做早期的檢測,從而對疾病進(jìn)行提早干預(yù),避免眼睛受到更大的損害。
從進(jìn)入臨床研究開始,科奧達(dá)光電就一直與復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院以及第三軍醫(yī)大學(xué)附屬醫(yī)院進(jìn)行合作。兩家醫(yī)院的臨床試驗(yàn)表明,視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像儀對于參與臨床試驗(yàn)的受試者均可以得到清晰的視網(wǎng)膜感光細(xì)胞圖像。目前,該儀器可以用于眼科視網(wǎng)膜黃斑病變早期微觀檢測臨床研究。
戴云坦陳,儀器在視網(wǎng)膜黃斑中心凹區(qū)域成像的分辨率還需要進(jìn)一步提高。同時,由于儀器對視網(wǎng)膜很多區(qū)域成像結(jié)果與以往不同,醫(yī)院還需要進(jìn)一步地研究這些圖像和眼部疾病的對應(yīng)關(guān)系。四川省食藥監(jiān)局醫(yī)療器械處認(rèn)為,其成像性能優(yōu)于其他所有眼底診斷技術(shù),臨床應(yīng)用意義重大,有望成為全新意義上的眼底診斷標(biāo)準(zhǔn)儀器。目前,全世界還沒有同類產(chǎn)品上市。