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螳螂蝦:指導(dǎo)腫瘤醫(yī)生“看清”癌細(xì)胞
關(guān)于螳螂蝦,我們知道得最多的就是,它有著一雙出拳快如閃電的拳頭。具體有多快,快到彷佛一根壓縮后被釋放的彈簧,只需要1-2毫秒時間就可以完成出拳,這個速度下,神經(jīng)反饋都不足以改變已彈射的拳頭。
不過今天我們的主題并不是關(guān)于它的拳頭,而是它的那雙可以救人的眼睛。
螳螂蝦眼睛怎么救人的,聽著有點(diǎn)離譜?
不要著急,先聽我介紹螳螂蝦的眼睛。
螳螂蝦除了有著地球上最快的拳頭,還有著有地球上最復(fù)雜的視覺系統(tǒng)。它和其他昆蟲一樣,用的是復(fù)眼。
它的復(fù)眼有3層感光細(xì)胞,每層細(xì)胞對不同波長的光作出反應(yīng)。螳螂蝦一共有16種不同類型的光感受器,能同時接收處理不同波長的光線。注意,是同時。
螳螂蝦的眼睛,dPR(dorsal Peripheral Region)是背部外圍區(qū),vPR(ventral Peripheral Region)是腹部外圍區(qū),二者大致對稱;MB(Mid-Band region)是中間帶狀區(qū)
其中3種光感受用來探測紫外光,9種用來探測可見光,其余的用來感受紅外光。
相比之下,人類的只有3種顏色的光感受器,紅、綠、藍(lán),因此人類的可見光范圍和螳螂蝦相比,小得不是一星半點(diǎn)。
這些感光細(xì)胞可以相互獨(dú)立平行地處理信息,感光細(xì)胞輸出不通過神經(jīng)比較,色彩信息直接從視網(wǎng)膜傳到大腦。
這意味著大腦可以同時看到可見光和紫外光以及紅外光。
在癌組織切除手術(shù)中,有時需要用到熒光蛋白來標(biāo)記癌細(xì)胞,讓癌組織切除變得更加方便,這時候會用到醫(yī)用攝像機(jī)拍攝,實(shí)時展示在外科手術(shù)監(jiān)視器上,方便醫(yī)生操作。
熒光蛋白的標(biāo)記有可見光的,也有近紅外光的,這是兩種不同波長的光。不同的熒光可以標(biāo)記不同的組織。生物體的一些部分對可見光有較好的吸收和散射,而另外一些部分則對非可見光有比較好的吸收和散射,包括近紅外光。
癌組織所在的位置不同,所用的標(biāo)記方式也不一樣。但有時候情況比較復(fù)雜,同時需要兩種熒光標(biāo)記。
這時候,傳統(tǒng)的攝像器材就不行了,因?yàn)橐话愕臄z影器材要么可以拍下可見光,要么可以拍下紅外光。攝影器材的“感光細(xì)胞”,也就是它的傳感器局限了它的感光范圍。
要說明的是,傳統(tǒng)攝影器材并不是沒有可以處理可見光和近紅外光的傳感器。早在2017年,某攝影器材廠商就開發(fā)了全球首款可以捕捉可見光和近紅外光的CMOS傳感器。
但,你想要同時在監(jiān)視器上同時看到近紅外光和可見光,靠這枚傳感器還是不行。因?yàn)樗?/span>只能在兩種模式下相互切換,要么看到可見光模式,要么看到近紅外光模式。
而我們的主角,螳螂蝦的出現(xiàn),給了科學(xué)家靈感。為外科醫(yī)生同時看到可見光和近紅外光提供了可能性。
Steven Blair是 Viktor Gruev實(shí)驗(yàn)室的研究生,他開發(fā)了一種和螳螂蝦一樣的,有3層感光材料的傳感器。一共可以感知6種顏色的光波,紅綠藍(lán)和3種近紅外光。
當(dāng)然重點(diǎn)是,這顆傳感器在頂層放置了兩種濾光材料,就和螳螂蝦一樣,可以同時獨(dú)立平行處理6種顏色光。
這樣一來,外科醫(yī)生就可以用一臺攝像機(jī)在同一畫面下觀察到可見光標(biāo)記和近紅外光標(biāo)記的癌組織,一下就方便了很多。
研究人員在一次乳腺癌腫瘤切除手術(shù)中測試了他們的仿生成像儀(紅色標(biāo)記)
大自然給我們的科技進(jìn)步帶來了無限的靈感,從仿蜂鳥的高鐵的火車頭,到運(yùn)動員的鯊魚皮泳衣,再到仿海豚的聲納系統(tǒng),這樣的例子數(shù)都數(shù)不完,而仿螳螂蝦復(fù)雜的眼睛的成像系統(tǒng)只是其中之一。
有人曾經(jīng)好奇,研究那些野生動物有什么用,跟我們?nèi)祟愐稽c(diǎn)關(guān)系都沒有,還浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)。我想現(xiàn)在你應(yīng)該明白了,大自然永遠(yuǎn)都是我們最好的老師。
參考文獻(xiàn):
- Blair S, Garcia M, Davis T, et al. Hexachromatic bioinspired camera for image-guided cancer surgery[J]. Science Translational Medicine, 2021, 13(592).
- 張旭, 金偉其, 裘溯. 螳螂蝦視覺成像的特點(diǎn)及其仿生技術(shù)研究綜述[J]. 紅外技術(shù), 2016, 38(2): 89-95.
- https://www.camgle.com/news/zixun/20170213/6666.html
- http://tokiox.com/wp/%E3%82%AD%E3%83%A4%E3%83%8E%E3%83%B3%EF%BC%9Acmos%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%B5%E3%83%BC%EF%BD%A4global-shutter%E6%90%AD%E8%BC%89%EF%BC%9A%E5%8F%AF%E8%A6%96%E5%85%89%EF%BD%A5%E8%BF%91%E8%B5%A4%E5%A4%96/?lang=zh
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