全光学超声系统有潜力革新图像引导的干预措施

虽然超声波是最常见的医学成像工具之一,但传统的电子超声设备往往体积庞大,不能与其他成像技术同时使用。一种新的超声波系统,使用光学元件而不是电子元件,可以提高性能,同时使医生在如何使用超声波诊断和治疗医疗问题上具有更大的灵活性。

在光学学会(OSA)生物医学光学快报期刊上,研究人员首次展示了使用全光超声成像仪进行视频速率、生物组织的实时二维成像。这一成果是实现全光学超声在临床上应用的重要一步。

由于成像探头不需要电子元件,因此全光超声系统可以与磁共振成像(MRI)扫描仪同时安全使用。这将使医生更全面地了解感兴趣区域周围的组织,如肿瘤或血管。

“所有光学超声成像探头都有可能彻底改变图像引导的干预措施,”英国伦敦大学学院的Erwin J.Alles说。由于缺少电子设备和由此产生的磁共振兼容性,将允许采用真正的多模态图像制导,探头的成本可能只是传统电子设备的一小部分。”

内置的光束扫描镜提高了图像质量,并使以不同模式获取图像成为可能。在临床环境中,这将使医生能够在单个仪器的模式之间快速切换,以适应手头的任务。使用常规超声系统获取不同类型的图像通常需要单独的专用探头。

“扫描镜提供的灵活性将允许在二维和三维成像之间进行无缝切换,以及在图像分辨率和穿透深度之间进行动态调整,而无需更换成像探头,”Alles说。尤其是在微创介入环境中,更换成像探头具有高度破坏性,延长了手术时间,并给患者带来风险。”

消除电子设备

传统的超声波成像仪使用电子传感器阵列将高频声波传输到组织中并接收反射。然后,计算机构建组织的图像。

相比之下,全光学超声成像仪使用光来传输和接收超声波。脉冲激光用于产生超声波,扫描镜控制波在何处传输到组织。光纤传感器接收反射波。

使用负担得起且可穿戴的传感癌症研究英国会聚科学中心宣布肿瘤液化微泡早期神经成像对Zika暴露的婴儿是必要的。传统超声设备的电子元件使HEM很难实现内部使用的小型化,因此现有的大多数超声设备都是大型手持探头,放置在皮肤上。虽然一些高分辨率微创超声探头已经开发出来,但对于常规的临床应用来说太贵了。研究人员说,光学元件很容易小型化,而且微型的全光超声探头的制造成本可能比紧凑型电子超声系统要低得多。

加快图像处理速度

要生成图像,全光超声系统必须从多个光源位置获取数据,将它们组合在一起,然后创建一个可视化,重建被成像的区域。

研究人员之前已经证明,使用全光学超声波生成高质量的二维和三维图像,但获取这些图像需要数小时,这使得这些设备在临床环境中使用太慢。新的演示是第一个以视频速率用全光超声波获取和显示图像。

“通过结合新的成像模式、新的光学超声产生材料、优化的超声源几何结构和高灵敏度的光纤超声检测器,我们获得了比当前状态快3个数量级的图像帧速率。“电子艺术,”阿勒斯说。

医疗多用工具

光学超声系统本质上比其电子系统更加通用,因为它们可以在更大的带宽下产生声音。Alles和他的同事演示了如何操纵光源来产生低频超声,从而导致更大的穿透力进入组织,或者高频超声,在较浅的深度上提供更高的分辨率图像。

研究小组通过对一条死去的斑马鱼以及一条猪动脉的成像来测试他们的原型系统,这条猪动脉是他们用来模拟脉动血液的动力学的。演示显示,成像能力与电子高频超声系统相当,持续帧频为15赫兹,动态范围为30分贝,穿透深度为6毫米,分辨率为75×100微米。

为了使这项技术适应临床应用,研究人员正致力于开发一种长而灵活的成像探针,用于徒手操作,以及用于内窥镜应用的小型化版本。

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