基于光声效应的非接触式医学超声成像，解决传统超声成像的局限性
2023-09-19 17:03:13 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这种基于激光的超声成像系统可以提供器官、脂肪、肌肉、肌腱和血管等人体内部特征的图像，还可以测量骨骼强度，通过进一步开发还有望实现疾病发展阶段的跟踪。
据麦姆斯咨询介绍，麻省理工学院（MIT）林肯实验室和马萨诸塞州总医院超声研究与转化中心的研究团队合作开发了一种新型医学成像设备，被称为非接触式激光超声（NCLUS）系统。这种基于激光的超声成像系统可以提供器官、脂肪、肌肉、肌腱和血管等人体内部特征的图像，还可以测量骨骼强度，通过进一步开发还有望实现疾病发展阶段的跟踪。
“这项申请专利且对皮肤安全的激光系统概念，旨在通过克服传统接触式探头的局限性来变革医学超声成像技术。”林肯实验室有源光学系统研究组高级职员、首席研究员Robert Haupt解释称。Haupt及其同事Charles Wynn是该技术的共同发明人，助理组长Matthew Stowe为NCLUS项目提供技术指导和监督。Rajan Gurjar是系统集成负责人，Jamie Shaw、Bert Green、Brian Boitnott（现就职于斯坦福大学）和Jake Jacobsen合作进行了光学和机械工程以及系统构建。
NCLUS便携式多自由度平面定位支架
NCLUS配备了微型激光源和接收器、柔性光纤、反射镜以及相机
医学超声成像的实践应用
利用超声波成像，医生可以无创地“观察”人体内部，对不同的组织及其形状进行成像。超声波还可以测量动脉和静脉中的血流脉冲，表征组织和器官的机械特性（弹性成像）。超声波成像能够帮助医生评估并诊断各种健康状况、疾病和损伤。例如，超声波可以对发育中胎儿的解剖结构进行成像，检测肿瘤，测量心脏瓣膜狭窄或渗漏的程度等。从基于iPhone的手持超声设备到基于推车的医学超声系统，超声波成像具有高度便携性且相对经济，已经广泛用于即时检测和远程医疗。
传统超声成像的局限性
尽管最先进的医学超声系统已经能够解析毫米以内的组织特征，但该技术仍然存在一定的局限性。例如，超声检查人员需要用手操作探头寻找观察人体内部的最佳窗口，这可能会导致成像误差。具体来说，检察人员通过感觉向探头施加压力时，随机按压探头接触的局部组织，可能会导致组织特性发生不可预测的变化，从而影响超声波的传播路径，进而使系统无法准确对组织特征形状进行成像。此外，即使稍微倾斜探头，也会改变图像视图的角度平面使图像倾斜，造成组织特征定位的不准确。
这种图像失真和定位不确定性影响很大，有可能无法以足够的置信度进行解析，例如，肿瘤是变大还是变小，以及肿瘤在宿主组织中的精确位置等。此外，特征尺寸、形状和位置的不确定性也会在重复测量中变化，即使是同一位超声检查医师也会面对这种窘境。而不同的超声检查医师尝试进行相同的检测时，这种不确定性会更加严重。
由于这些缺点，超声波通常无法追踪癌性肿瘤及其它疾病状态。相比之下，磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）等方法虽然成本高得多，系统规模更大，复杂度更高，并且存在辐射风险，但还是需要利用它们来跟踪疾病的进展情况。
通过超声成像的完全自动化获取，NCLUS有望降低对超声检查医师的要求，并降低操作人员的人为不确定性。激光定位可以精确再现，从而消除重复测量的差异。此外，由于测量是非接触的，因此不会发生局部组织压迫或与之相关的图像特征失真。此外，与MRI和CT类似，NCLUS也可以提供一种固定的参考系，利用皮肤标记来再现并比较随时间推移的重复扫描。为了支持这种跟踪功能，研究团队开发了一种软件，可以处理超声波图像并检测它们之间的所有变化。NCLUS既不需要医师手动加压，也不需要偶联凝胶（传统接触式探头需要），也使其成为身体部位疼痛或敏感、状态脆弱或有感染风险患者的理想选择。
光致超声波
光可以在皮肤表面附近被吸收，导致组织局部发热和变形。这种热弹性过程会产生超声波，并反射回皮肤表面。
NCLUS采用脉冲激光，通过空气将光能传输到皮肤表面，一旦进入皮肤就会被快速吸收。因此，光脉冲会引起瞬时局部加热，并通过热弹性过程使皮肤迅速变形，进而产生超声波，充当超声波源——这种现象被称为光声效应。
NCLUS采用脉冲激光器（绿色）产生超声波，通过带有接收通道（红色）的激光测振仪检测返回波。相机（灰色）记录激光束位置，用于图像构建。
光脉冲能够产生足够的超声波功率，其频率与实践中的医学超声频率相当，同时皮肤不会有任何感觉。该团队为光学载波波长的选择申请了专利，其光声过程旨在创建一致的超声波源，不受皮肤颜色或组织粗糙度的影响。
从组织内部返回的超声回波以局部振动的形式呈现于皮肤表面，通过高灵敏度的专用激光多普勒测振仪可以进行测量。
Haupt解释道：“通过合适的激光发射和接收，任何暴露的组织表面都可以成为可用的超声波源和探测器。”
临床实践进展
2019年，该团队证明NCLUS概念验证（GEN-1）系统可以利用皮肤安全的激光从受试人体获取超声波图像，这在医学界尚属首次。不过，获取图像数据的时间很长，对于临床实践来说不可行。此外，GEN-1系统的图像分辨率显著低于最先进的医学超声系统。
NCLUS GEN-1证明扫描激光可以在人体内产生超声波并被接收器捕捉。然而，与标准超声系统相比，图像采集需要耗时20多分钟，并且分辨率相对较低。
此后，为了使NCLUS GEN-1能够适用于临床测试的操作系统，研究团队对其进行了重大的工程改进。在临床NCLUS系统中，激光源和接收器都进行了小型化，安装在连接到便携式支架的光学探头中。其脉冲和扫描激光器比GEN-1系统快了500倍，从而将整个图像数据采集时间缩短到了一分钟以内。未来的NCLUS原型图像捕捉更快，仅需要不到1秒的时间即可完成。新临床系统的超声频率也比GEN-1系统高得多，分辨率低至200微米，与当前最先进的医学超声系统相当。
NCLUS临床系统中配有五个激光多普勒测振仪（LDV）接收器，可以对模拟组织凝胶体模中的细线和孔进行成像，提供与传统超声系统相当的显示效果。
可移动支架能够实现多个自由度，以对人体的各个区域进行光声成像。光学探头内部还有可编程快速转向镜，可自动定位光源并接收激光束，以精确建立超声阵列。该系统利用一台2D激光雷达来绘制患者皮肤表面的形貌图；一台高帧率短波红外（SWIR）相机记录激光源和接收器在皮肤上的投影位置，以提供构建超声波图像所需要的阵列参数。皮肤表面形貌图和激光位置记录通过皮肤的自然特征（例如雀斑等）来标记。通过这种方式，建立了一种固定的参考系，用于随时间的推移执行精确的重复扫描。
在骨/组织体模中相同区域骨表面添加0.5 mm缺陷之前（左）和之后（中）的NCLUS成像，（右）图指示了变化。
NCLUS临床系统通过合成孔径处理生成全自动且配准的超声波图像。该团队在一个基于凝胶的冰球上演示了该系统，该冰球与控制超声波传播的人体组织（体模）的机械特性相匹配。
目前，该团队正在进一步开发NCLUS，以支持前沿的军事应用。这些应用包括：检测和表征器官内出血造成的危及生命的损伤；监测使人衰弱的肌肉骨骼损伤，及其随时间的愈合情况；以及提供截肢者肢体区域的软组织和骨骼的弹性成像，以加速假肢接受腔的设计和安装。其民用应用包括重症监护室的成像等。借助NCLUS，急救医疗技术人员、护理人员和没有受过专门超声培训的医务人员，有望能够在院外（例如医生办公室、家里或偏远的战场环境）进行超声成像。
在NCLUS项目的下一阶段，该团队将采用对皮肤安全的激光源进行临床研究，以评估超声成像性能，并将其与传统医学超声成像进行比较。如果这些研究成功，该团队将寻求临床医疗器械开发的商业化资金，然后申请美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。
延伸阅读：