研究人员首次制造出人类的激光超声波图像

时间:2019-12-28 18:09 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

研究人员首次制造出人类的激光超声波图像

对大多数人来说,超声波是一种相对简单的手术:作为一名技术人员轻轻按下探针对病人的皮肤,产生的声波探测器穿过皮肤,反射肌肉,脂肪,和其他软组织反射回探头前,检测,将波转换成图像的背后又隐藏着什么秘密。

传统的超声波不像x光和CT扫描仪那样让病人暴露在有害的辐射中,而且通常是无创的。但它确实需要与病人的身体接触,因此,在临床医生可能想要对那些不能很好地忍受探头的病人成像的情况下,如婴儿、烧伤病人或其他皮肤敏感的病人,它可能会受到限制。此外,超声探头的接触引起了图像的显著变化,这是现代超声成像的一个主要挑战。

现在,麻省理工学院的工程师们想出了一种替代传统超声波的方法,这种方法不需要与身体接触就可以看到病人的内部。新的激光超声技术利用眼睛和皮肤安全的激光系统远程成像人的内部。当激光在病人的皮肤上进行训练时,一束激光就能远程产生声波,声波在人体内来回反射。第二束激光远程探测反射波,然后研究人员将其转换成类似于传统超声波的图像。

今天,《自然》杂志在《光:科学与应用》杂志上发表的一篇论文中,研究小组报告了首次在人类身上产生激光超声波图像。研究人员对几名志愿者的前臂进行了扫描,并观察了皮肤以下约6厘米处的肌肉、脂肪和骨骼等常见组织特征。这些图像与传统的超声波类似,是用远程激光聚焦在半米外的志愿者身上产生的。

麻省理工学院机械工程系和医学工程与科学研究所(IMES)的首席科学家布莱恩·w·安东尼是这篇论文的资深作者,他说:“激光超声波技术的应用才刚刚起步。”“想象一下,我们现在可以做超声波能做的所有事情,但要保持一定距离。这给了你一种全新的方式来观察身体内部的器官,并确定深层组织的性质,而无需与病人接触。”

安东尼论文的合著者包括:第一作者、麻省理工学院博士后张翔(Shawn)、新近毕业的博士生乔纳森·芬克、查尔斯·韦恩、马修·约翰逊和麻省理工学院林肯实验室的罗伯特·豪普特。

对着峡谷大喊——拿着手电筒

近年来,研究人员在光声学领域探索了基于激光的超声激发方法。这种方法不是直接将声波送入人体,而是以一种特定波长的脉冲激光的形式发出光,穿透皮肤并被血管吸收。

血管迅速扩张和放松——立即被激光脉冲加热,然后迅速被身体冷却到原来的大小——只会再次被另一个光脉冲击中。由此产生的机械振动会产生声波,声波会向上传播,放在皮肤上的传感器可以检测到这些声波,并将其转换成光声图像。

光声学使用激光远程探测内部结构,但这项技术仍然需要一个与身体直接接触的探测器来获取声波。更重要的是,光线只能进入皮肤一小段距离就会消失。因此,其他的研究人员已经使用光声学来成像皮肤下的血管,但不是更深。

由于声波比光进入人体的距离更远,因此张、安东尼和他们的同事们寻找一种方法,将激光束的光在皮肤表面转换成声波,以便在人体的深处成像。

根据他们的研究,研究小组选择了1550纳米的激光,这种波长的激光极易被水吸收(而且对眼睛和皮肤都很安全,有很大的安全裕度)。由于皮肤本质上是由水组成的,研究小组推断,皮肤应该有效地吸收这些光线,并相应地升温和膨胀。当它振动回到它的正常状态,皮肤本身应该产生声波,通过身体传播。

研究人员用激光装置测试了这一想法,用一台1550纳米的脉冲激光来产生声波,另一台调到相同波长的连续激光来远程探测反射声波。第二束激光是一种灵敏的运动探测器,它可以测量声波在肌肉、脂肪和其他组织上反弹所引起的皮肤表面振动。反射声波产生的皮肤表面运动引起激光频率的变化,可以测量。通过机械地扫描全身的激光,科学家可以在不同的位置获取数据,并生成该区域的图像。

安东尼说:“这就像我们一边沿着墙走,一边在不同的地方听着,一边对着大峡谷大喊大叫。”“这就给了你足够的数据来计算出里面所有东西的几何形状,这些东西都是被海浪反弹回来的——而且这些叫喊是用手电筒完成的。”

家庭成像

研究人员首先使用新的装置来成像嵌入明胶模子里的金属物体,这些金属物体与皮肤含水量大致相似。他们用商业超声波探头对同一种明胶进行了成像,发现两种图像惊人地相似。他们接着研究了动物组织切除后的图像,这次是猪的皮肤,他们发现激光超声可以分辨更细微的特征,比如肌肉、脂肪和骨骼的边界。

最后,研究小组利用麻省理工学院(MIT)人体实验委员会(Committee on the Use of human as Experimental Subjects)批准的一项协议,在人体上进行了第一次激光超声波实验。在扫描了几名健康志愿者的前臂后,研究人员制作了第一张完全非接触式激光超声波人体图像。脂肪、肌肉和组织边界清晰可见,可与使用商业的、基于接触式超声探头生成的图像相比。

研究人员计划改进他们的技术,他们正在寻找提高系统性能的方法,以解决组织中的细微特征。他们也在寻求提高探测激光的能力。未来,他们希望将激光装置小型化,这样激光超声波就可以作为便携设备使用。

安东尼说:“我可以想象这样一个场景,你可以在家里做这件事。”“当我早上起床时,我可以得到我的甲状腺或动脉的图像,并可以在家里对我的身体进行生理成像。你可以想象把它部署到周围环境中来了解你的内部状态。”

本故事由麻省理工学院新闻网站(web.mit.edu/newsoffice/)转载,这是一个涵盖麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。

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