作者:Brian W. Anthony 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2020/1/7 17:54:23
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麻省理工学院利用激光超声技术获得首张人类实验图像

 

近日,麻省理工学院Brian W. Anthony教授团队利用激光超声技术获得首张人类实验图像。该LUS系统设计和实验结果对激光超声技术的进一步发展及其临床应用具有重要意义。相关成果以” Full noncontact laser ultrasound: first human data”为题近日发表在《Light: Science & Applications》上。

研究背景

现代超声技术在诊断和医学成像方面有非常重要的应用价值,是软组织最常用的成像方式。与其他成像方法相比,超声具有非电离、成本相对较低、便于携带等优点。传统的超声成像需要将压电换能器放置在与患者接触的位置,以传输和检测体表反射和散射的声波。与其他成像方式相比,患者与换能器的接触是超声波的可变性来源。成像临床医师在超声探头上对组织施加可变的接触力来压缩组织进而对接触敏感的部位成像;定量超声成像方法,如剪切波弹性成像已被证明是对压缩组织非常敏感的一种成像方式。而对于其他场景的应用,如婴儿或烧伤患者敏感区域的检测,可以显著受益于非接触式超声系统。

相比于传统超声成像,MRI和CT可在没有接触病人的情况下对其进行监测。然而,频繁使用MRI或CT对患者进行持续监测会产生高额的费用,而且CT对人体具有一定的辐射性。而激光超声检测技术就可以很好的解决上述存在的问题, LUS通过激励光激发组织表面产生超声信号,再通过激光干涉仪来探测超声信号进而反演信号获取我们想要的信息图像。与此同时,超声断层扫描(UST)和光声(PA)技术也能实现一般意义上的非接触式成像,但对于UST而言,通常要用超声器件,例如换能器在水箱内环绕成像目标,虽然UST系统可生成与MRI或CT相媲美的人体组织体积超声图像。然而,水箱的几何约束和大型超声波阵列的不灵活性限制了UST系统的特定应用,如乳房成像。

与UST不同的是,PA方法是通过组织的热弹性膨胀将光能转化为声能,这为无耦合剂的超声成像提供了一条途径。自从一个多世纪以前关于PA效应的第一次报道以来,现代的PA系统是多波长、多点和多对比度的,已经被用于从微米到厘米深度的成像。一般PA采用光源激励,传统的压电元件检测。脉冲激光照射生物组织通过光吸收产生声脉冲,在组织内诱导热弹性应力和弛豫。通过调节光学波长,可以对生物组织有选择性的成像。为了提高图像质量或成像深度,还可以注射纳米颗粒或染料等光学造影剂。根据受照光束的不同,可能需要对多个记录的声信号进行时间反演来定位源位置。PA成像的深度和分辨率是由特定光源和组织的相互作用决定的特定对象和应用;因此,诸如波长、功率、几何聚焦和重复率等光学参数在PA系统设计中至关重要。与大多数PA系统相比,LUS使用一个光学探测器,并且是完全无接触的。超声的光学检测提供了更高的灵敏度、更宽的带宽、更紧凑的集成封装和真正的非接触测量。此外,LUS技术广泛应用于无损检测(NDT)中,用于远距离厚度测量、故障检测和材料表征。最近,LUS技术已在模拟组织仿体、切除的组织样本和鸡绒毛尿囊膜上得到实验证实。然而,用于人体完全非接触式激光超声全光学系统目前尚未有过报道。

创新研究

非接触式激光超声(LUS)成像与目前的医疗超声(US)技术和光声成像(PA)技术相比具有很多优点。比如,与US技术相比,LUS具有无需耦合剂、可重复性强、可进行体成像等特点;与PA技术相比,LUS的探测器用的是光学干涉仪而不是压电器件。

该团队利用激光超声技术获得首张人类实验图像。提供了完全非接触LUS结果:成像目标深度约5厘米,距离目标表面有一米远。通过实验获得的体成像和首张人类的LUS图像也证实了该技术的可行性,与此同时,实验过程中所用的光源波长为1550 nm,对眼睛和皮肤组织无任何伤害。该团队分别对模拟组织仿体、动物组织,以及志愿者的前臂进行实验,并用超声成像技术来验证LUS的检测结果。目前研究人员正在一步步的改进系统的性能,他们希望将来能够将实验装置小型化,开发出一套便携式设备。总之,该LUS系统设计和实验结果对激光超声技术的进一步发展及其临床应用具有重要意义。

图1 a LUS系统的简化示意图。b包裹明胶的钢棒仿体LUS重构图像。c常规超声检测图像

图2 a包裹明胶仿体的金属单个LUS信号。 b用于验证LUS三维成像能力的明胶仿体。c明胶仿体的三维LUS重建图像。d 三维LUS重构体正面XZ投影图。

图3 用作猪肉的LUS单点测量信号。b猪肉组织样本,红框区域为成像区域。C LUS的重构图像。d 传统的超声图像。

图4 a志愿者前臂单点LUS测量信号。b志愿者前臂照片照片。c LUS重构图像。d 传统超声图像。

(来源:科学网 丁雷)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0229-8

 
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