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大自然有不可估量的生物，這些生物身上有各種各樣神奇的特點，例如眼睛。很多生物的眼睛所帶功能是人類無法企及的，特別是他們的復(fù)眼系統(tǒng)，是由很多小眼組成，每個小眼都獨立感光，非常厲害?，F(xiàn)在美國研究團(tuán)隊，把這樣的特點融入到新型攝像頭里，完全改善癌癥手術(shù)治療。到底是怎么改善癌癥手術(shù)治療的呢？馬上來看看:
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作為一項仿生學(xué)技能，復(fù)眼技能已應(yīng)用到運動目標(biāo)監(jiān)測、武器研究、機(jī)器人視覺系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。比如，德國弗勞恩霍夫研究院受昆蟲復(fù)眼啟發(fā)，研制出“小眼視覺”攝像頭，有望使得智能手機(jī)的攝像頭變得更薄。
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今天，讓我們將目光轉(zhuǎn)移到一種新的動物：蝴蝶，它具有與生俱來的錯綜復(fù)雜的視覺系統(tǒng)，它們的視域更加寬闊，擅長感知快速移動的物體，能夠辨別紫外線、近紅外線和偏振光。
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創(chuàng)新
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近日，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（ University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究團(tuán)隊設(shè)計出一種模仿蝴蝶視覺系統(tǒng)的攝像頭，它不僅為外科醫(yī)生提供了傳統(tǒng)的彩色圖像，還提供了近紅外圖像，從而使得熒光標(biāo)記的癌細(xì)胞能在明亮的手術(shù)燈下可見。
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研究團(tuán)隊領(lǐng)頭人 Viktor Gruev 表示：“我們并不是將商用的光學(xué)器件和傳感器放到一起，做成一個用于圖像引導(dǎo)手術(shù)的攝像頭，而是從大自然的視覺系統(tǒng)中汲取靈感。大閃蝶（morpho butterfly）的眼睛具有能感知多光譜信息的納米結(jié)構(gòu)，可以同時獲取近紅外和彩色信息。 ”
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在美國光學(xué)會的高影響力研究雜志《Optica》上，研究人員演示了他們的生物啟發(fā)攝像頭可用于檢測動物的腫瘤，并可用于評估人體的
乳腺癌階段。即使是在標(biāo)準(zhǔn)的手術(shù)室照明條件下，這種新型攝像頭的熒光檢測能力也非常靈敏。它的重量不及一節(jié)AA電池，制造成本約20美元。
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技能
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Gruev 表示：“在手術(shù)期間，較重要的是保證所有癌變組織都被切除。我們設(shè)計了一種成像平臺，幫助全世界任何醫(yī)院的外科醫(yī)生達(dá)到這一目標(biāo)，因為這個成像平臺小型、緊湊、便宜。盡管我們在儀器側(cè)作了處理，但是我們的技能還需要針對腫瘤并批準(zhǔn)用于人體的熒光標(biāo)記物，從而達(dá)到更廣泛的應(yīng)用。其中一些正在進(jìn)行臨床試驗，所以我們不久將看到該領(lǐng)域的進(jìn)展?！?/div>
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這種新型攝像頭在現(xiàn)有攝像頭基礎(chǔ)上進(jìn)行了大幅改善，已經(jīng)得到了美國食品和藥品管理局（FDA）的批準(zhǔn)，在手術(shù)期間用于觀測熒光標(biāo)記物。許多現(xiàn)有的近紅外攝像頭，在手術(shù)環(huán)境中，檢測熒光標(biāo)記物的靈敏度不夠，所以為了觀測熒光標(biāo)記物，室內(nèi)燈光必須調(diào)暗。
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現(xiàn)有的紅外成像設(shè)備還有另外一個問題，就是熒光圖像不一定與被拍攝的組織精準(zhǔn)對齊，或者說配準(zhǔn)。之所以發(fā)生這種情況，是因為FDA批準(zhǔn)的儀器使用多個光學(xué)元件，例如分束器和中繼鏡，將可見光與紅外光分開，讓每一束光可以發(fā)送到獨立的檢測器上。室內(nèi)輕微的溫度變化會影響這些儀器中的光學(xué)元件，引起圖像錯位。這種圖像錯位將導(dǎo)致外科醫(yī)生錯過腫瘤組織，而不必要地切除健康組織。
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伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的博士后研究員、論文的領(lǐng)導(dǎo)作者 Missael Garcia 表示：“我們意識到，現(xiàn)有的紅外線成像儀所存在的問題，可以通過采用這種與大閃蝶中相似的納米結(jié)構(gòu)來改善。它們的復(fù)睛包含相互緊挨著的光感受器，每個光感受器都能通過天生的配準(zhǔn)，感知不同波長的光線?！?/div>
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這種新型攝像頭非常類似蝴蝶的眼睛，讓不同的納米結(jié)構(gòu)交織在一起，變成光感受器陣列，使得采用一個成像設(shè)備就可以采集彩色和近紅外熒光信息。探測器和成像元件被集成到單個單片集成傳感器中，保證了設(shè)備的小型化、便宜以及不易受溫度變化影響。
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這種設(shè)計通過讓每個像素吸收構(gòu)建圖像所需的光子量，獨特地解決了靈敏度問題。它們不需要花費很長時間制造可見光波段的圖像，用于觀看人體解剖結(jié)構(gòu)，因為實驗室的可見照明非常強(qiáng)。從另外一方面說，因為熒光非常微弱，所以需要花費更長的時間采集足夠的光子量，構(gòu)建足夠明亮的圖像。通過改變感光時間，讓每個像素探測它所需的光子數(shù)量，在創(chuàng)建一幅明亮的熒光圖像的同時，不會使組織的彩色圖像過度曝光。
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研究人員采用一個具有原發(fā)性乳腺癌的老鼠模型測試了他們的新儀器。這意味著癌癥生長的確切位置以及癌細(xì)胞的數(shù)量都是未知的。采用綁定癌細(xì)胞的熒光標(biāo)記，研究人員展示了他們的生物啟發(fā)成像器，能帶來高精度和高靈敏度的腫瘤檢測，超越FDA批準(zhǔn)用于圖像引導(dǎo)手術(shù)的先進(jìn)的紅外攝像頭。
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在美國圣路易斯市華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的11名乳腺癌患者身上，研究人員也測試了他們的紅外攝像頭辨別淋巴結(jié)的能力。因為淋巴結(jié)是乳腺癌擴(kuò)散的首要地點之一，外科醫(yī)生檢測它們以判斷癌癥的階段?；颊弑蛔⑷隖DA批準(zhǔn)的吲哚青綠熒光染料，它被動地在淋巴結(jié)中堆積，然后來自生物啟發(fā)成像儀的熒光圖像會在屏幕上顯示出來，或者被投影到外科醫(yī)生使用的護(hù)目鏡上。
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Gruev 表示：“我們展示了，在明亮的手術(shù)光線下，我們設(shè)備的靈敏度比目前批準(zhǔn)用于紅外線圖像引導(dǎo)的手術(shù)所用的成像儀，對于熒光的靈敏度要高1000倍。因為生物啟發(fā)的成像儀能夠揭示組織深處的熒光，所以它加速了淋巴結(jié)的辨別，幫助外科醫(yī)生找到單靠肉眼眼力無法看到的淋巴結(jié)?！?/div>
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價值
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這種新型攝像頭設(shè)計有助于外科醫(yī)生移除所有癌細(xì)胞，而不損傷健康組織，降低癌癥擴(kuò)散的可能性，并減少手術(shù)次數(shù)。
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據(jù)研究人員稱，生物啟發(fā)的成像儀可用于切除各種癌癥，包括黑素瘤、前列腺癌、頭頸癌。因為它的體積小，所以也可集成到內(nèi)窺鏡中，比如在結(jié)腸鏡檢查期間查找癌癥。
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Garcia 表示：“我們儀器的一大優(yōu)勢就是它緊湊的尺寸。我們在空間很小的醫(yī)院中測試了我們的儀器，并且發(fā)現(xiàn)它不會干擾外科手術(shù)流程?！?/div>
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研究人員現(xiàn)在正在創(chuàng)辦一個創(chuàng)業(yè)公司對于他們的生物啟發(fā)的成像儀進(jìn)行商業(yè)化，并與FDA合作設(shè)計一個臨床試驗，讓外科醫(yī)生可以將新型成像儀作出的臨床決策與那些FDA批準(zhǔn)的成像儀所作的臨床決策進(jìn)行比較。
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參考資料
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【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/new_camera_inspired_by_butterfly_eyes_improves_ima/
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【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
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美國權(quán)威醫(yī)學(xué)專家
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Colin Weekes教授在波士頓哈佛醫(yī)學(xué)院的血液學(xué)/腫瘤學(xué)系任職，同時是麻省總醫(yī)院Tucker Gosnell胃腸癌中心胰腺癌醫(yī)學(xué)腫瘤研究主任，專注于胰腺癌患者的臨床和轉(zhuǎn)化研究，他所帶領(lǐng)的研究小組的目標(biāo)是將生物學(xué)原理納入胰腺癌患者的治療中。目前他正在與基礎(chǔ)科學(xué)家合作，旨在將靶向治療和疾病反應(yīng)的生物標(biāo)志物整合到臨床試驗開發(fā)中。
除了從事胰腺癌的工作外，Weekes博士還致力于胃腸道惡性腫瘤的早期藥物開發(fā)。他的臨床興趣包括胰腺癌，結(jié)腸癌和直腸癌，以及肝癌，包括膽管癌和肝細(xì)胞癌。他可以治療多種類型的癌癥患者，包括結(jié)腸直腸癌，食道癌，膽囊癌，胃腸道癌，肝癌和胃癌。
履歷
Colin W
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【醫(yī)學(xué)教育】
?麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)博士
?布萊根婦女醫(yī)院住院醫(yī)生
?丹娜法伯癌癥研究所?？婆嘤?xùn)
美國委員會認(rèn)證
?內(nèi)科醫(yī)學(xué)，美國內(nèi)科醫(yī)學(xué)委員會
?美國內(nèi)科醫(yī)學(xué)委員會腫瘤內(nèi)科
【關(guān)于勞拉·斯普林醫(yī)生介紹】
Spring醫(yī)生是麻省總醫(yī)院癌癥中心和哈佛醫(yī)學(xué)院的臨床試驗/翻譯研究人員和乳腺癌腫瘤專家。她獲得了內(nèi)科和內(nèi)科腫瘤學(xué)的董事會認(rèn)證。 Spring醫(yī)生完成了在布萊根婦女醫(yī)院的住院醫(yī)
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