雖然超聲波是最常見的醫(yī)學(xué)成像工具之一，但是傳統(tǒng)的電子超聲設(shè)備往往體積龐大并且不能與其他一些成像技術(shù)同時(shí)使用。使用光學(xué)元件而不是電子元件的新超聲系統(tǒng)可以提高性能，同時(shí)為醫(yī)生在超聲診斷和治療醫(yī)療問(wèn)題方面提供更大的靈活性。

在光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)期刊Biomedical Optics Express中，研究人員首次使用全光學(xué)超聲成像儀進(jìn)行生物組織的視頻，實(shí)時(shí)2D成像。該成就是使全光學(xué)超聲用于常規(guī)臨床使用的重要一步。

因?yàn)樗鼈冊(cè)诔上裉筋^中不需要電子元件，所以全光學(xué)超聲系統(tǒng)可以安全地與磁共振成像(MRI)掃描儀一起使用。這將使醫(yī)生更全面地了解感興趣區(qū)域周圍的組織，例如腫瘤或血管。

“全光學(xué)超聲成像探頭有可能徹底改變圖像引導(dǎo)的干預(yù)措施，”英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的Erwin J. Alles說(shuō)。“缺乏電子設(shè)備和由此產(chǎn)生的MRI兼容性將允許真正的多模態(tài)圖像引導(dǎo)，探測(cè)器可能只是傳統(tǒng)電子對(duì)應(yīng)物成本的一小部分。”

設(shè)備內(nèi)置的Lightbeam掃描鏡可提高圖像質(zhì)量，并可以采集不同模式的圖像。在臨床環(huán)境中，這將允許醫(yī)生在單個(gè)儀器上快速切換模式以適應(yīng)手頭的任務(wù)。使用傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)獲取不同類型的圖像通常需要單獨(dú)的專用探針。

“掃描鏡提供的靈活性將允許2D和3D成像之間的無(wú)縫切換，以及圖像分辨率和穿透深度之間的動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)折衷，而無(wú)需交換成像探頭，”Alles說(shuō)。“特別是在微創(chuàng)介入設(shè)置中，交換成像探針具有很強(qiáng)的破壞性，延長(zhǎng)了手術(shù)時(shí)間并給患者帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。”

消除電子產(chǎn)品

傳統(tǒng)的超聲成像器使用電子換能器陣列將高頻聲波傳輸?shù)浇M織中并接收反射。然后計(jì)算機(jī)構(gòu)建組織的圖像。

相比之下，全光學(xué)超聲成像儀使用光來(lái)發(fā)射和接收超聲波。脈沖激光用于產(chǎn)生超聲波，并且掃描鏡控制波傳輸?shù)浇M織的位置。光纖傳感器接收反射波。

傳統(tǒng)超聲設(shè)備的電子部件使得它們難以小型化以供內(nèi)部使用，因此大多數(shù)現(xiàn)有的超聲設(shè)備是放置在皮膚上的大型手持探針。雖然已經(jīng)開發(fā)了一些高分辨率微創(chuàng)超聲探頭，但它們對(duì)于常規(guī)臨床使用來(lái)說(shuō)太昂貴了。研究人員說(shuō)，光學(xué)元件很容易小型化，微型全光學(xué)超聲探頭的制造成本可能比緊湊型電子超聲系統(tǒng)便宜得多。

加快圖像處理速度

為了生成圖像，全光學(xué)超聲系統(tǒng)必須從多個(gè)光源位置獲取數(shù)據(jù)，將它們組合在一起，然后創(chuàng)建可重建被成像區(qū)域的可視化。

研究人員之前已經(jīng)證明使用全光學(xué)超聲波來(lái)生成高質(zhì)量的2D和3D圖像，但是獲取圖像需要數(shù)小時(shí)，這使得這些設(shè)備太慢而無(wú)法在臨床環(huán)境中使用。新的演示是第一個(gè)以視頻速率采用全光學(xué)超聲波獲取和顯示圖像的演示。

“通過(guò)結(jié)合新的成像范例，新的光學(xué)超聲波生成材料，優(yōu)化的超聲源幾何結(jié)構(gòu)和高靈敏度的光纖超聲探測(cè)器，我們實(shí)現(xiàn)了比當(dāng)前狀態(tài)快三個(gè)數(shù)量級(jí)的圖像幀速率。這是藝術(shù)，“Alles說(shuō)。

醫(yī)療多功能工具

光學(xué)超聲系統(tǒng)本質(zhì)上比它們的電子對(duì)應(yīng)物更通用，因?yàn)樗鼈兛梢砸愿蟮膸挳a(chǎn)生聲音。Alles及其同事演示了如何操縱光源以產(chǎn)生低頻超聲波，從而產(chǎn)生更大的穿透力，或高頻超聲波，可在較淺的深度提供更高分辨率的圖像。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)已死亡的斑馬魚以及他們操縱的豬動(dòng)脈進(jìn)行成像來(lái)測(cè)試他們的原型系統(tǒng)，以模擬脈沖血液的動(dòng)態(tài)。該演示顯示成像能力可與電子高頻超聲系統(tǒng)相媲美，持續(xù)幀速率為15赫茲，動(dòng)態(tài)范圍為30分貝，穿透深度為6毫米，分辨率為75×100微米。

為了使該技術(shù)適用于臨床，研究人員正致力于開發(fā)一種用于徒手操作的長(zhǎng)而靈活的成像探頭，以及用于內(nèi)窺鏡應(yīng)用的小型化探頭。