我们如何用光看到身体与大脑深处

#TED 16:50 106

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原文字幕: 原文字幕由译学馆搜集制作完成

译文字幕: 甪里于2018.11.13制作完成

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人们不了解这个红光和这个温和的近红外光
可以穿透你的手 就像这样
这个原理可以实现更好 更快 更便宜的医疗保健
我们的半透性是关键
我即将要向各位展示如何
利用这个以及其他的关键
来看透我们身体与大脑的深层 好
首先
各位看到的这支镭射笔与我手上的这个光点吗?
这道光穿透了我的手——
请把现场灯光转弱——
正如我已经展示的
但各位已经看不到那个镭射点了
只看到我手上的光晕
那是因为光线分开 分散了
我需要各位先了解什么是光的分散现象
这样才能让各位明白如何移除它
并看到我们身体与大脑的深层内部
后面这里有一块鸡肉
(笑声)
它是生的
我戴上手套
鸡肉与人肉有相同的光学特性
这是鸡肉......把它放到光上面
各位有看到这道光穿过鸡肉了吗?
我在鸡肉里植入了一块肿瘤
你没有看到吗?观众:
有看到
玛丽·卢·杰普森:
这意味着利用红光和红外线光
我们可以看到人身上的肿瘤
但是有一个问题
如果我再放上另一块鸡肉
光仍然可以穿越 但你看不到肿瘤了
那是因为光散射掉了
所以我们要想办法克服光散射的问题
这样我们才能看到肿瘤
我们要防止光散射
所以......
我在职业生涯的早期阶段实现
防散射的技术
它叫全息摄影术
在70年代获得物理诺贝尔奖
因为这个神奇的技术可以帮你处理光的问题
这个就是全息影像
它能捕捉所有光 镭射
所有光子的
入射位置与角度 在同一时间内全部捕捉到
很神奇
为了理解这个全息图装置可以做些设么
各位看到这些弹珠吗?
注意看这些正在障碍物上弹跳着的弹珠
这就是光在我们体内散射的现象
当这些弹珠在这迷宫似的弹珠柱上往下掉时
它们会到处乱跑 散开 弹跳
如果我们在荧幕底部
记录它们的全息图像
我们能记录到所有弹珠离开迷宫时各自的位置与角度
然后我们把弹珠从下面带上来
透过全息图装置 引导每颗弹珠
以正确的位置与角度回弹
例如 它们出现在散射矩阵顶部 形成一道线
我们要用这个来做
这个东西的光学特性跟我们人类的大脑很像
我现在要换到绿光
因为绿光对人类的肉眼而言
比红光或红外线光更明亮
我真的需要各位看清楚这个
我们要在这个类似人脑的物体上
放一个全息影像装置
然后从它后面打光
看起来不可思议 但真的可以
这是你们将要看到的设置
绿光
全系影像装置放这里 绿光打进去
这是我们的大脑
然后一道绿光从里面出来了
我们刚做了高密度散射组织的大脑镭射
看起来很不可思议 之前没有人这样做
各位是第一次看我公开展示的观众
(掌声)
也就是说 我们可以看到组织的深层内部
我们的半透明性是第一个关键
第二个关键是全息摄影装置有抗散射的作用
如此我们就可以看到身体与大脑的深层内部
各位可能在想 “听起来不错 但头颅和骨头呢?
不看穿骨头 怎么能看穿大脑呢?”
是的
这是真的人头骨
在skullsunlimited.com网站买的
(笑声)
没开玩笑
我们很尊重这头骨
不管是在实验室或TED演讲现场
就如各位所看到的 红光透过去了
穿透了我们的头骨
所以只要用红光就可以穿透我们的头骨 骨头 肉体
伽马射线和X光也可以 但会造成肿瘤
我们的生活周遭都是红外线
用那个装置 我到这里向各位展示
比大脑镭射更有用的东西
我们挑战自己到底能把脑组织看到多细微
要聚焦看大脑
它的聚焦是如此细微
我们在它前面放了一个裸芯片
而这粒相机裸芯片......
可以把现场灯光调暗一点吗?好的
看到它了
你们看到了吗?
每个像素的宽度为千分之二毫米
也就是二微米大小
意思是 那一点焦距——半宽波长(FWHM)——
是六到八微米
为了让各位更容易了解:
这大小相当于人类大脑里最小神经元的直径
意思是 我们能穿透头骨和大脑直接聚焦神经元
之前没人看到过
我们是第一次在此展示
这是办得到的
(掌声)
用我们的系统办到的 是重大的突破
(笑声)
只是为了让你们知道——这可不是仅仅50颗弹珠而已
而是有上亿 上兆的光子
全都依照全息装置的指挥排好了
弹跳似的闪过密密麻麻的大脑组织
最后通通聚焦到一个点
很厉害
我们很兴奋
这是核磁共振仪
这一台要好几百万美金 有一个房间那么大
很多人可能用过
我在一台里面待了很久
它的影像清晰度大约一毫米
比我刚展示给大家看的更大
用我们技术做的系统成本会大大降低
解析度增高和较小的医学成像
这是我们已经开始进行的事
我的团队和我建了个实验机台
来扫描细胞组织
上面正是它运作的样子
我们想知道能做到多好
我们去年建造这个
成果就是 我们找得到肿瘤
例如——
在这个七公分厚的样本里找得到 光线从这里进去
0.5毫米的解析度
那是它找到的肿瘤
各位可能在想
“这系统看起来是不错 但还是有点大
是比超巨大核磁共振仪
核磁共振怪物小 但是你能把它缩得更小吗? ”
答案是:当然没问题
我们可以把这个系统里的每个大零件
用小零件取代——
小型的积体电路 像小朋友指甲一样大小的显示晶片
聊一下我的背景:
在过去的二十年里 我一直在发明 开发原型
运出了数十亿美元的消费性电子产品
完全定制芯片——
在光学物理的前沿
我和团队建造这个大型的实验机台
来完善我们的作品 并在极端的条件下测试
在花好几百万大量制造生产前
小心翼翼的微调我们的晶片设计
我们发明的新晶片把系统瘦身了 速度变快了
可以快速扫描及反散射光线
好深入检视我们身体内部
这是实现更好 更快 更便宜医疗保健的第三个关键
这是一个模拟的东西 它可取代价值好几百万美金的
核磁共振仪的功能性
且价位可以达到消费电子产品的等级
让你可以像绑绷带
戴滑雪帽 或放在枕头里
那时我们正在建造的产品
(掌声)噢
谢谢大家!
(掌声)
你可能会想
“我把光打进了身体里
甚至有了全息摄影装置来反分散光源
但我们到底是如何使用这个新的晶片产品
来进行扫描的?” 我们用声音 没错
——我们用声音 此处
这三小碟代表我们设计的
集成电路
会大规模缩小目前的大型系统
其中一点
一个晶片 会发出声音
声音会集中往下传达 然后我们把红灯打开
红光经过那个声音点
会稍微改变颜色
有点像是警笛快速经过你身旁时
所产生的声音变化现象
所以
这就是我还没告诉各位全息摄影术的另一件事
这个你需要知道
只有颜色完全相同的两道光才能产生全息影像 所以
从声音点出来的
橘色光
颜色稍微变了
我们在相邻晶片的下方
建了个橙色的光盘 然后相机会记录全息影像
就像这样
我们可以从全息影像中
抽取与那个声音点有关的讯息
因为我们把所有的红色光滤掉了 然后
我们可以选择
将光线聚焦到大脑中
以刺激部分神经元或大脑
接下来转移声音焦点到另一个位置
用这样的方式一点一点的扫描大脑
我们的晶片可以解读全息影像
这有点像罗莎琳·富兰克林透过解码
X光绕射现象
第一次解构出DNA的结构时那样
用我们的晶片以电子的方式
记录图像并解读咨讯
仅仅用了百万分之一秒
我们的扫描速度很快
我们的系统在寻找血液时可能非比寻常
因为血液会吸收红光及红外线光
血是红色的
这是一烧杯血液
我将给大家展示
这是我们的镭射射过去
这是真的镭射 你看
射进去了
这跟肉相比
光散射到各处
我们再看一遍 血
这就是关键 血会吸光
肉会把光散射掉
这很重要
因为每个大于一 二立方毫米的肿瘤
围绕在它周围的血液是正常肉体的五倍
所以可以想象用我们的系统 早点发现癌细胞
早期侦测容易治疗
或追踪肿瘤的变大变小
我们的系统寻找缺血流的部位
表现也应该不错
像是动脉阻塞方面的侦测
或者血液中颜色的变化 像是血液是否携带氧
这是测量神经元活动的方法
有人说“太阳光”是最好的消毒剂
真的是这样
研究人员发现 透过照射太阳光可以杀死肺深处的癌细胞
我们的系统能以非侵入式的方式来达成这样的效果
我再多举三个例子来说明 这项科技可以为我们做些什么 第一:
中风
中风的原因主要有两个:
一个是脑血管堵塞
另一个是脑血管破裂
如果你能在一到两个小时内判定
是哪一种类型的中风
就可以服用正确的药物 大大地减少脑部受损的危险
吃错药 病人就会完蛋
意思是现今中风后的一至二小时内
得用核磁共振仪进行扫描 未来
有了这个小巧 可携带 又不贵的影像成型技术
每一台救护车及每家医院都能及时判断中风的种类
并采取正确的医治方式
(掌声)
谢谢 第二:
这世上有三分之二的人无法取得医学显影的医疗服务 这小巧
可携带 又不贵的医学影像成型技术能拯救无数的生命
第三:人脑与电脑沟通
我在台上已向各位展示我们的系统可以穿过头骨
精准地观测到最小的神经元
你可以利用光及声音来刺激或抑制神经元的活动
同时 我们的规格不输给
功能磁共振成像扫描仪
可以用来测量脑部氧气消耗量
我们藉由
观察血液的颜色变化
不用一台两吨重的磁铁仪器
现今用共振成像扫描仪
想像我们的技术能解码扫描到的文字 图片 梦境
我们正在
把这三个功能结合
在同一个系统里——
利用光与声音来读写神经元
同时扫描脑中的含氧量——
全部集合在非侵入性的可携装置里
可促成人与电脑的沟通
不需植入 不需手术 不用考虑脑部开刀这一项
这可以为全球二十亿深受
脑部疾病的人带来很多益处
(掌声)
人们问我能看到多深
答案是:全身
这里有另一个看待的方式
(笑声)
刚刚我整个头亮了
想要再看一遍吗?观众:
要!
(笑声)玛丽·卢·杰普森:
这看起来很可怕 但并不可怕
真正可怕的是不懂我们的身体
我们的脑 我们的疾病 以致未能有效地治疗
这项科技可以帮助我们
谢谢各位
(掌声)
谢谢
(掌声)
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