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  • 技术再次突破:在人类身上首次,而且安全的产生激光超声波图像

    对于大多数人来说,接受超声波检查是一个相对简单的过程:当技术人员轻轻地将探头压在患者皮肤上时,探头产生的声波穿过皮肤,在肌肉、脂肪和其他软组织上反弹,然后反射回探头,探头检测到这些波并将其转换为下面的图像。传统超声波不会像X射线和CT扫描仪那样让患者暴露在有害的辐射中,而且通常是非侵入性的。但它确实需要与患者的身体接触,因此,在临床医生可能想要想象不能很好地耐受探头的患者。

    技术再次突破:在人类身上首次,而且安全的产生激光超声波图像

    如婴儿、烧伤患者或其他皮肤敏感的患者的情况下,这可能是有限的。此外,超声探头接触会引起明显的图像变异性,这是现代超声成像中的一个主要挑战。现在,麻省理工学院的工程师们,已经提出了一种替代传统超声波的方法,它不需要与身体接触就能看到患者的内部。这项新的激光超声技术利用一种对眼睛和皮肤安全的激光系统来远程成像人体内部。当激光照射到病人的皮肤上时,一束激光就会远程产生声波,在人体内反弹。

    技术再次突破:在人类身上首次,而且安全的产生激光超声波图像

    第二个激光器远程探测反射波,然后研究人员将其转换成类似于传统超声波的图像。在发表在《自然》和《光:科学与应用》期刊上的新研究中,研究小组报告了在人类身上首次产生激光超声波图像(图2)。研究人员扫描了几名志愿者的前臂,观察了常见的组织特征,如肌肉、脂肪和骨骼,低至皮肤下约6厘米。这些图像可以与传统超声波相媲美,是使用远程激光在半米外聚焦于一名志愿者而产生的。

    技术再次突破:在人类身上首次,而且安全的产生激光超声波图像

    资深作者、麻省理工学院机械工程系和医学工程与科学研究所(IMES)的首席研究科学家布莱恩·W·安东尼说:我们正处于激光超声技术的开端。想象一下,我们现在可以做超声波能做的一切,但距离很远。这给了你一种全新的方式来查看体内器官和确定深层组织的属性,而不需要与患者接触。近年来,研究人员在一个被称为光声学的领域,探索了基于激光的超声激发方法。这个想法不是直接将声波发送到人体内,而是以特定波长的脉冲激光形式发送进来,穿透皮肤并被血管吸收。

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    血管迅速扩张和松弛(由激光脉冲瞬间加热,然后由身体迅速冷却到原来的大小)只是再次被另一个光脉冲击中。由此产生的机械振动产生声波,声波向上传播,放置在皮肤上的换能器可以检测到声波,并将其转换为光声图像。虽然光声学使用激光远程探测内部结构,但这项技术仍然需要与身体直接接触的探测器才能拾取声波。更重要的是,光线在褪色之前只能进入皮肤很短的距离。因此,其他研究人员已经使用光声学对皮肤下面的血管进行成像,但成像深度不是很深。

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    由于声波比光传播得更远,研究团队寻找了一种方法,将激光束的光在皮肤表面转化为声波,以便在身体更深的地方成像。基于研究,研究小组选择了1550纳米的激光,这是一种被水高度吸收的波长(对眼睛和皮肤都是安全的,有很大的安全裕度)。由于皮肤基本上是由水组成,研究小组推断,皮肤应该有效地吸收这种光线,并相应地加热和膨胀。当它振荡回到正常状态时,皮肤本身应该会产生声波,通过身体传播。

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    研究人员用激光装置测试了这一想法,使用一个设置为1550纳米的脉冲激光来产生声波,并使用第二个连续的激光,调谐到相同的波长,以远程探测反射的声波。这第二个激光器是一个灵敏的运动探测器,它测量从肌肉、脂肪和其他组织反弹过来的声波,在皮肤表面引起振动。反射声波产生的皮肤表面运动会引起激光频率的变化,这是可以测量的。通过机械扫描身体上的激光,科学家可以获取不同位置的数据,并生成该区域的图像。

    技术再次突破:在人类身上首次,而且安全的产生激光超声波图像

    这就像我们一边沿着墙走,一边在不同的地方倾听,不断地对着大峡谷大喊大叫,这能得到足够的数据,让你找出声波反弹到的所有物体几何形状。研究人员首先使用新装置对镶嵌在明胶模具中的金属物体进行成像,这些物体与皮肤的含水量大致相似。研究用一种商用超声波探头对同一种明胶进行成像,发现两种图像非常相似,令人振奋。接着对切除的动物组织(在这种情况下是猪皮)进行成像,发现激光超声波可以区分更微妙的特征,比如肌肉、脂肪和骨骼之间的边界。

    技术再次突破:在人类身上首次,而且安全的产生激光超声波图像

    最后,研究小组使用麻省理工学院人体实验委员会批准的方案,在人体上进行了第一次激光超声实验。在扫描了几名健康志愿者的前臂后,研究人员产生了第一个完全非接触式的人体激光超声图像。脂肪、肌肉和组织边界清晰可见,可与商用接触式超声探头生成的图像相媲美。研究人员计划改进技术,目前正在寻找方法来提高系统的性能,以解决组织中的精细特征,同时还在寻求磨练探测激光器的能力。研究人员希望将激光装置小型化,这样有朝一日激光超声波可能会被部署为便携式设备。

    技术再次突破:在人类身上首次,而且安全的产生激光超声波图像

    博科园|研究/来自:麻省理工学院

    参考期刊《自然》《光:科学与应用》

    DOI: 10.1038/s41377-019-0229-8

    博科园|科学、科技、科研、科普

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