研究人员制作出首张人类激光超声图像

研究人员制作出首张人类激光超声图像

该技术可以帮助对难以到达的地方的婴儿、烧伤受害者和事故幸存者进行远程成像和健康评估。

朱珍妮 | 麻省理工学院新闻办公室

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一种新的超声波技术使用激光在皮肤下产生图像，而无需像传统超声波探头那样接触皮肤。新的激光超声技术用于生成人类前臂（上）的图像（左），该图像也是使用传统超声（右）成像的。

对于大多数人来说，进行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射，然后反射回人体。探测器检测波并将其转化为下方物体的图像。

传统超声波不会像 X 射线和 CT 扫描仪那样使患者暴露在有害辐射下，而且通常是无创的。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对不能很好地耐受探头的患者（例如婴儿、烧伤患者或其他皮肤敏感的患者）进行成像的情况下，它可能会受到限制。此外，超声探头接触会引起显着的图像变化，这是现代超声成像的主要挑战。

现在，麻省理工学院的工程师们提出了一种传统超声波的替代方案，不需要接触身体就能看到病人的内部情况。新的激光超声技术利用对眼睛和皮肤安全的激光系统来远程成像人的内部。当在患者皮肤上进行训练时，一束激光会远程产生声波，并在身体中反射。第二个激光远程检测反射波，然后研究人员将其转化为类似于传统超声波的图像。

在今天《自然》杂志《光：科学与应用》上发表的一篇论文中，该团队报告生成了人类首张激光超声图像。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，直至皮肤下约 6 厘米。这些图像与传统超声波相当，是使用远程激光在半米外聚焦于志愿者而产生的。

麻省理工学院机械工程系和医学工程与科学研究所 (IMES) 的首席研究科学家、该论文的资深作者 Brian W. Anthony 表示：“我们才刚刚开始研究激光超声的用途。” 。“想象一下，我们现在可以做超声波现在能做的所有事情，但要远距离。这为您提供了一种全新的方式来观察体内器官并确定深层组织的特性，而无需与患者接触。”

用于医学成像的非接触式激光超声的早期概念源于林肯实验室项目，该项目由主动光学系统小组的 Rob Haupt 和高级功能和技术小组的 Chuck Wynn 建立，他们与 Matthew Johnson 是这篇新论文的合著者。从那时起，这项研究通过与安东尼和他的学生张翔（现为麻省理工学院博士后、该论文的第一作者）以及最近的博士毕业生乔纳森·芬克（Jonathan Fincke）的合作而不断发展，乔纳森·芬克也是该论文的合著者。该项目结合了林肯实验室研究人员在激光和光学系统方面的专业知识与安东尼小组在先进超声系统和医学图像重建方面的经验。

对着峡谷大喊——用手电筒

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。这个想法不是直接将声波发送到体内，而是以特定波长的脉冲激光的形式发送光，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，然后被身体迅速冷却回到原来的大小——然后又被另一个光脉冲再次击中。由此产生的机械振动会产生返回的声波，放置在皮肤上的传感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，但该技术仍然需要探测器与身体直接接触才能拾取声波。更重要的是，光线只能进入皮肤一小段距离，然后就会消失。因此，其他研究人员使用光声学对皮肤下方的血管进行成像，但不更深。

由于声波比光更深入体内，张、安东尼和他们的同事寻找一种方法将激光束的光在皮肤表面转换成声波，以便在身体更深处成像。 

根据他们的研究，该团队选择了 1,550 纳米激光，该波长被水高度吸收（并且对眼睛和皮肤安全，安全裕度很大）。由于皮肤本质上是由水组成的，因此研究小组推断，它应该有效地吸收这种光，并相应地升温和膨胀。当它振荡回到正常状态时，皮肤本身应该产生在身体中传播的声波。

研究人员用激光装置测试了这一想法，使用一个 1,550 纳米的脉冲激光来产生声波，并使用第二个连续激光，调谐到相同的波长，远程检测反射的声波。第二个激光器是一种灵敏的运动探测器，可测量由肌肉、脂肪和其他组织反射的声波引起的皮肤表面振动。由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。通过对身体进行机械扫描，科学家可以获取不同位置的数据并生成该区域的图像。

“这就像我们不断地对着大峡谷大喊大叫，同时沿着岩壁行走并在不同的位置聆听，”安东尼说。“这样你就可以得到足够的数据来计算出波浪反弹到的所有物体的几何形状——而喊叫是通过手电筒完成的。”

家庭成像

研究人员首先使用新装置对嵌入明胶模具中的金属物体进行成像，大致类似于皮肤的含水量。他们使用商用超声波探头对相同的明胶进行成像，发现两张图像非常相似。他们继续对切除的动物组织（在本例中为猪皮）进行成像，发现激光超声波可以区分更细微的特征，例如肌肉、脂肪和骨骼之间的边界。

最后，该团队使用了麻省理工学院人类实验对象委员会批准的协议，在人类身上进行了首次激光超声实验。在扫描了几名健康志愿者的前臂后，研究人员制作了第一张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，与使用商业接触式超声探头生成的图像相当。

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，以解决组织中的精细特征。他们还希望磨练探测激光器的能力。下一步，他们希望将激光装置小型化，以便有一天激光超声波可以作为一种便携式设备部署。

“我可以想象一个场景，你可以在家里做这件事，”安东尼说。“当我早上起床时，我可以获得甲状腺或动脉的图像，并且可以在家里进行身体内部的生理成像。你可以想象将其部署在周围环境中以了解你的内部状态。” 

这项研究得到了美国空军麻省理工学院林肯实验室生物医学线计划和美国陆军医学研究和材料司令部军事作战医学研究计划的部分支持。

一种新的超声波技术使用激光在皮肤下产生图像，而无需像传统超声波探头那样接触皮肤。新的激光超声技术用于生成人类前臂（上）的图像（左），该图像也是使用传统超声（右）成像的。

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