美国科研团队受螳螂虾眼启发，制成新相机，手术时可精准捕捉并识别出人体内潜藏的癌症

据罗马尼亚媒体4月17日报道，螳螂虾游弋于世界各大洋的浅水区，拥有动物王国中最为复杂的眼睛。如今，这种非凡的视觉能力即将进入手术室。

研究人员研发出了一款非凡的新型相机，它能模仿这种甲壳类动物同时观测多种波长光线的能力。这款受生物启发的设备通过在单个微小芯片上捕捉紫外线、可见光和近红外光，有望实现现有相机无法做到的功能。螳螂虾启发的视觉技术不仅能向医生展示患者淋巴结的位置，还能判断这些淋巴结中是否隐藏着癌细胞。

当外科医生为乳腺癌患者进行手术时，首要目标是切除原发肿瘤。然而，真正的威胁隐藏在淋巴系统中。淋巴结作为身体的防御过滤器，能够捕获从原发肿瘤部位游离的癌细胞，防止它们在身体其他部位扎根。在手术过程中，外科医生必须决定哪些淋巴结需要活检，哪些需要完全切除，哪些可以保留。切除过少，癌症必然会扩散；切除过多，患者则可能面临终身痛苦且致残的肿胀，即淋巴水肿。

显然，精准定位可能癌变的淋巴结是首选。但医生目前尚缺乏这种精准度。迄今为止，标准做法仍依赖化学染料来定位淋巴结。这意味着，在手术过程中，医生实际上对组织的真实病理情况一无所知，直到几天后实验室分析样本结果出来。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的维克多·格鲁耶夫表示：“现有工具可以显示淋巴液的流向，但无法在手术过程中可靠地指示特定淋巴结是否受癌症影响。这可能导致过度治疗、治疗不足或需要后续二次手术。”

那么，这种生活在海底的甲壳类动物是如何与这一切联系在一起的呢？关键在于光感受器。人类只能感知可见光的狭窄波段，而螳螂虾的视野则宽广得多。这些甲壳类动物能够检测紫外线、可见光和近红外光，因为它们的眼睛含有排列成行的特殊光感受器，每行都针对电磁波谱的不同片段进行调谐。我们无法真正想象螳螂虾所看到的世界，但额外颜色的数量必定令人惊叹。

工程团队研究了这一生物奇迹，并构建了数字版本。他们创建了一个单芯片成像器，将微小的像素级滤波器与堆叠的光感应层集成在一起。但如果你同时捕捉所有这些不同类型的光，得到的图像可能会模糊不堪。为了解决这一光学难题，研究人员放弃了传统笨重的玻璃透镜，转而使用基于镜子的特殊透镜，使宽波段的光线完美聚焦在一起。然后，他们编写了定制的图像重建软件，将不同的信号编织成一张清晰锐利的图像。维克多·格鲁耶夫说：“我们借鉴了这一理念，使我们的相机能够同时从同一位置收集多种光学信息。这在手术过程中对图像完美对齐非常有帮助。”（来源：Optica新闻稿）

那么，观测不同光波长是如何发现肿瘤的呢？关键在于不同生物组织与光谱的相互作用方式。首先，外科医生注射一种标准的荧光染料——吲哚菁绿（ICG）。相机的近红外传感器能轻松捕捉到这种染料。染料在手术监视器上发出明亮的光芒，精确标出隐藏淋巴结的位置。一旦外科医生找到淋巴结，相机便启用其紫外线功能。当淋巴结受到短暂紫外线脉冲照射时，癌组织会自然发出与健康组织不同的荧光。相机读取这种固有的、揭示性的光芒，无需任何特殊的癌症靶向化学物质。同时，可见光传感器提供标准的彩色视频信号，为外科医生提供导航人体所需的正常解剖标志。

这种方法相较于以往的光学方法有了巨大飞跃。尽管科学家们多年来一直知道，无标记光学技术可以突出癌症中的生化变化，但之前的设备过于笨重，需要多个独立的相机和监视器，外科医生无法在快节奏、高风险的手术室环境中轻松整合使用。通过将所有功能集成在一个芯片上，研究人员解决了封装问题。

从实验室到手术室：为了证明他们受甲壳类动物启发的概念，研究团队对相机进行了终极测试。他们检查了新切除的乳腺癌标本，分析了来自33名不同患者的94个不同淋巴结。病理学家（传统上在显微镜下诊断癌症的医学侦探）在未看到相机读数的情况下审查了相同的组织。相机的紫外线传感器以97%的敏感度和89%的特异度识别出了癌性淋巴结。同时，近红外传感器从未失败过，准确标出了淋巴结的物理位置。

研究团队现在面临着从实验室成功到临床标准的艰巨旅程。他们必须在更大、更多样化的患者群体中测试该系统，以确保其可靠性。他们必须优化软件，以实现更快的实时图像处理。他们还需要确保系统不会将实际癌症与良性情况（如无害的组织炎症或疤痕）混淆。最后，他们必须将硬件封装成无菌、用户友好的格式，以便在医院日常使用。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的维克多·格鲁耶夫表示：“如果未来测试成功，该系统将有助于患者接受更精确的手术。除了乳腺癌，这种方法对于淋巴结状态重要的其他癌症或任何在手术或病理评估中需要快速、无标记组织评估的情况都可能有用。”

（原文标题：Camera Inspired by Mantis Shrimp Eyes Can Spot Hidden Cancer During Surgery）