“看天”的技術(shù)

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。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。因為光學(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年首次用研制的“21單元星體成像自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)”，實現(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，世界上又一個實現(xiàn)星體目標(biāo)實時校正成像的國家。

“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，光電所研制出了第一代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)入臨床實驗階段。

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、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)最復(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)第一附屬醫(yī)院進(jìn)行合作。兩家醫(yī)院的臨床試驗表明，視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像儀對于參與臨床試驗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。