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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)在美國研究團隊，把這樣的特點融入到新型攝像頭里，完全改善癌癥手術治療。到底是怎么改善癌癥手術治療的呢？馬上來看看:
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作為一項仿生學技能，復眼技能已應用到運動目標監(jiān)測、武器研究、機器人視覺系統(tǒng)等諸多領域。比如，德國弗勞恩霍夫研究院受昆蟲復眼啟發(fā)，研制出“小眼視覺”攝像頭，有望使得智能手機的攝像頭變得更薄。
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今天，讓我們將目光轉移到一種新的動物：蝴蝶，它具有與生俱來的錯綜復雜的視覺系統(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，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（ University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究團隊設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，從而使得熒光標記的癌細胞能在明亮的手術燈下可見。
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研究團隊領頭人 Viktor Gruev 表示：“我們并不是將商用的光學器件和傳感器放到一起，做成一個用于圖像引導手術的攝像頭，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構，可以同時獲取近紅外和彩色信息。 ”
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在美國光學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。即使是在標準的手術室照明條件下，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：“在手術期間，較重要的是保證所有癌變組織都被切除。我們設計了一種成像平臺，幫助全世界任何醫(yī)院的外科醫(yī)生達到這一目標，因為這個成像平臺小型、緊湊、便宜。盡管我們在儀器側作了處理，但是我們的技能還需要針對腫瘤并批準用于人體的熒光標記物，從而達到更廣泛的應用。其中一些正在進行臨床試驗，所以我們不久將看到該領域的進展?！?/div>
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這種新型攝像頭在現(xiàn)有攝像頭基礎上進行了大幅改善，已經得到了美國食品和藥品管理局（FDA）的批準，在手術期間用于觀測熒光標記物。許多現(xiàn)有的近紅外攝像頭，在手術環(huán)境中，檢測熒光標記物的靈敏度不夠，所以為了觀測熒光標記物，室內燈光必須調暗。
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現(xiàn)有的紅外成像設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對齊，或者說配準。之所以發(fā)生這種情況，是因為FDA批準的儀器使用多個光學元件，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。室內輕微的溫度變化會影響這些儀器中的光學元件，引起圖像錯位。這種圖像錯位將導致外科醫(yī)生錯過腫瘤組織，而不必要地切除健康組織。
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伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的博士后研究員、論文的領導作者 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構來改善。它們的復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，感知不同波長的光線。”
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這種新型攝像頭非常類似蝴蝶的眼睛，讓不同的納米結構交織在一起，變成光感受器陣列，使得采用一個成像設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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這種設計通過讓每個像素吸收構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構，因為實驗室的可見照明非常強。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胞的數(shù)量都是未知的。采用綁定癌細胞的熒光標記，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批準用于圖像引導手術的先進的紅外攝像頭。
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在美國圣路易斯市華盛頓大學醫(yī)學院的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的能力。因為淋巴結是乳腺癌擴散的首要地點之一，外科醫(yī)生檢測它們以判斷癌癥的階段。患者被注入FDA批準的吲哚青綠熒光染料，它被動地在淋巴結中堆積，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)生使用的護目鏡上。
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Gruev 表示：“我們展示了，在明亮的手術光線下，我們設備的靈敏度比目前批準用于紅外線圖像引導的手術所用的成像儀，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?！?/div>
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價值
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這種新型攝像頭設計有助于外科醫(yī)生移除所有癌細胞，而不損傷健康組織，降低癌癥擴散的可能性，并減少手術次數(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，所以也可集成到內窺鏡中，比如在結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)的成像儀進行商業(yè)化，并與FDA合作設計一個臨床試驗，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批準的成像儀所作的臨床決策進行比較。
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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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美國權威醫(yī)學專家
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Colin Weekes教授在波士頓哈佛醫(yī)學院的血液學/腫瘤學系任職，同時是麻省總醫(yī)院Tucker Gosnell胃腸癌中心胰腺癌醫(yī)學腫瘤研究主任，專注于胰腺癌患者的臨床和轉化研究，他所帶領的研究小組的目標是將生物學原理納入胰腺癌患者的治療中。目前他正在與基礎科學家合作，旨在將靶向治療和疾病反應的生物標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，結腸癌和直腸癌，以及肝癌，包括膽管癌和肝細胞癌。他可以治療多種類型的癌癥患者，包括結腸直腸癌，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)學教育】
?麻省大學醫(yī)學院醫(yī)學博士
?布萊根婦女醫(yī)院住院醫(yī)生
?丹娜法伯癌癥研究所?？婆嘤?
美國委員會認證
?內科醫(yī)學，美國內科醫(yī)學委員會
?美國內科醫(yī)學委員會腫瘤內科
【關于勞拉·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。她獲得了內科和內科腫瘤學的董事會認證。 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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