3D打印设备包括一个用于旋转试管的电机（图左），试管内部放置被检样本。该装置位于立式显微镜的平台上，激光源在平台下方产生旋转样品所含胶原的二维图像。来源：Renee Meiller

对于癌症之类的疾病，医生通常借助计算机断层扫描（CT）方法，从被检查部位的多个二维图像切片重建一个三维图像，从而进行更明确的诊断。在分子水平上，这种三维扫描技术可能成为精密医学的一个重要组成部分。在不久的将来，它可以根据每个患者独特的细胞特征，量身定制治疗方案。

把人体心脏或大脑等大型器官的CT扫描图像，转移到微小分子上是非常有价值的，这也是威斯康星大学麦迪逊分校生物医学工程与医学物理学教授Paul Campagnola 选择这项工作的原因。

Paul Campagnola在本月（2017年10月）在《光学》（Optica）杂志上发表的论文提到，他已经针对胶原蛋白的三维分子成像技术开展了具有关键性的后续工作。胶原蛋白是人体中最丰富的蛋白质，它存在于我们所有的骨骼、肌腱和结缔组织中。

Campagnola说，胶原蛋白是骨和组织稳定性的必要物质，其内在三维组织的变化是所有癌症和其他疾病的关键特征。因此这些细微变化的图像可能成为未来临床治疗方案的重要组成部分。

什么原因使胶原成像如此复杂呢？这是因为传统的光学显微镜进行了较亮和较暗物体之间的差异或对比，原理在于它们吸收了不同波长的入射光。而胶原蛋白分子是透明的，它们不会产生这些对比现象。

针对胶原蛋白等透明物质，需要采用特殊技术实现成像。在20世纪90年代后期，Campagnola等研究人员利用其刚性和分层结构产生了具备更高分辨率的二维图像。具体方法是，单个胶原分子像砖墙一样堆积在一起，形成胶原纤维，这些胶原纤维并排排列，形成相互平行的胶原纤维束。正是这种结构赋予了以胶原蛋白为基础的人体部位具有近乎钢铁般的稳定性。

虽然这种高度有组织的透明结构不会改变光的主频，但它与所谓的“二次谐波”频率存在相互作用。在音乐中，声波的二次谐波频率是主频的两倍，波长减少了一半，在弦乐器上体现为一个高八度的声音。

Campagnola表示，胶原蛋白是最常见的人类组织类型，其与激光的相互作用可以产生一种新的独特信号，我们称之为二次谐波光，类似于音乐的二次谐波声音。与其他材料不同的是，胶原蛋白分子聚集在一起，光线是明亮的，可以区分不同的子结构。

因此，当研究人员学会如何将这些高阶信号转换为二维图像时，二次谐波显微镜诞生了，但三维图像在未来几年内依旧难以实现。

Campagnola小组依据从多个角度对组织样品拍摄的二维胶原图像，提出了用于建立中等分辨率的三维图像的实验和计算框架。类似于我们熟悉的人体CT扫描成像。

这种新的成像模式的关键是3D打印设备，设备上装有与小电机相连的试管，该装置置于立式显微镜的平台上。当一个组织样本（如小鼠尾腱）放入试管后，电机开始驱动，旋转试管。激光光源位于平台下方，每次发射的激光通过旋转的样品后到达激光扫描记录仪上，生成二维显微镜图像。扫描程序结束后，为了采用复杂的数学算法重建三维图像，首先需要根据所有的二维切片图像得到二次谐波图像。

在临床医学中引入这项技术，比如观察乳腺组织和卵巢癌组织中高度排列的胶原纤维之间细微差别时，采用高分辨率的三维胶原断层扫描技术将更加清晰和有效。这与在正常组织中发现的交叉影线的胶原网截然不同。这些图像不仅可以提供癌症患者的治疗方案，也能用于明确肺部纤维化、以及导致病人呼吸能力下降的疤痕性、受损性肺部组织的情况。

Campagnola提到，我们的下一个目标是在各种病变组织中采用这项新技术。如果我们能够用图像和临床结果建立一个足够大的患者数据库，医生可以根据三维胶原结构在病人体内的组织情况，选择化疗或其他的治疗方法，那么这项三维成像新技术将成为真正影响治疗成败的精密医疗手段。

来源：https://m.phys.org/news/2017-10-d-imaging-technique-future-precision.html

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