超聲輔助光學成像或能取代“內窺鏡檢查”

據了解，美國賓夕法尼亞州卡內基梅隆大學（CarnegieMellonUniversity）的研究人員開發(fā)了一種新穎的生物成像技術，利用超聲波結合光學處理，可以透過皮膚和肌肉等生物組織，非侵入性地對人體器官進行成像，或能消除使用內窺鏡進行侵入性視覺檢查的需求。據表示，“換句話說，未來，我們就不需要利用內窺鏡插入人體，到達胃部、大腦或任何其它器官進行成像檢查了?！弊髨D的新方案使用超聲引導光穿過組織，用于體內深處器官和組織的無創(chuàng)內窺成像內窺鏡成像，或使用直接插入人體器官的相機來檢查病癥，是目前常用于診斷人體內部組織疾病的侵入性檢查方法。內窺鏡成像儀，或導管（或導線）末端的攝像機，通常需要通過醫(yī)療手段或手術植入，以便到達人體的深部組織，但團隊開發(fā)的新技術提供了一種完全非手術且非侵入性的替代方案。根據該實驗室發(fā)表的論文顯示，超聲波可以在體內創(chuàng)建一種“虛擬透鏡”，無需植入實物透鏡。通過使用特定的超聲波模型，研究人員可以有效地將光線聚焦在組織內部，使他們能夠前所未有的通過無創(chuàng)手段拍攝體內圖像。研究人員證明，可以使用原位可重構超聲干涉圖案在介質中構建虛擬光學漸變折射率（GRIN）透鏡，以通過介質中繼圖像。超聲波模型改變介質的局部密度以構建垂直于光傳播方向的漸變折射率圖案，調制光的相位前沿，使其在介質內聚焦并有效地創(chuàng)建一個虛擬中繼透鏡。增大組織“透明度”生物組織會阻擋大部分的光，尤其是可見光范圍內的光線。因此，目前的光學成像方法無法利用光從人體表面直接進入深部組織。不過，實驗室利用非侵入性超聲波“提高了生物組織的透明度”，以便更多的光通過生物組織等混濁介質進行體內成像。“能夠在無需插入物理光學元件的情況下對大腦等器官進行成像，為侵入性內窺鏡提供了一種重要的替代方案，”“我們使用超聲波在給定的目標介質（例如各種生物組織）中構建了一個虛擬光學中繼透鏡。因此，生物組織變成了一種透鏡，可以幫助我們捕捉更深層結構的圖像。這種方案預計將徹底革新生物醫(yī)學成像領域?！背暡軌驂嚎s和稀薄它們傳播經過的介質。在壓縮區(qū)域，光傳播的速度比在稀薄區(qū)域慢。在本研究中，該團隊證明，這種壓縮和稀薄效應可用于在目標介質中構建虛擬透鏡以進行光學成像。僅通過從人體外部重新配置超聲波，就可以在不干擾介質的情況下移動該虛擬透鏡。這使得研究人員能夠對不同的目標區(qū)域進行非侵入性成像。（a）進行光學表征的設置示意圖；（b）脈沖激光被即時調制，以匹配饋送換能器正弦信號的正半周期；（c）超聲換能器關閉時激光束的實驗圖像和（d）開啟時的實驗圖像（fres＝832kHz，V＝34V）；（e）、（f）用于（c）和（d）實驗中相同頻率和電壓下的激光束光線跟蹤模擬。廣闊的應用前景該論文發(fā)表的方案是一種平臺化技術，可用于許多不同的應用。將來，根據需要被成像的器官，它可以以手持設備或可穿戴表面貼片的形式應用。通過將裝置或貼片放置在皮膚上，臨床醫(yī)生可以便利地從組織內接收光信號以創(chuàng)建內部圖像，而無需內窺鏡檢查所帶來的不適和副作用。該技術目前最接近的應用是腦組織的內窺成像或皮下成像，當然該技術也可以用于人體其他部位的成像。除了生物醫(yī)學應用之外，該技術還可以用于機器視覺、計量學和其他工業(yè)應用中的光學成像，以實現(xiàn)非破壞性且可操縱的微米級物體和結構成像。研究人員表示，可以通過改變超聲波的參數(shù)來調制虛擬“透鏡”的特性，使用戶能夠通過該技術在介質的不同深度進行“聚焦”圖像。盡管已發(fā)表的論文專注于該方法對更接近表面的應用效果，但該團隊尚未發(fā)現(xiàn)這種超聲輔助光學成像方法可以達到的深度極限?！拔覀兊难芯颗c傳統(tǒng)聲光方案的不同之處在于，我們利用了目標介質（可以是生物組織）本身，在光通過時影響光的傳播，”解釋說，“這種原位相互作用，有望抵消擾亂光線傳播的非理想情況?！痹摷夹g具有許多潛在臨床應用，例如皮膚病診斷、大腦活動監(jiān)測、以及惡性腫瘤的識別診斷和靶向和光動力療法等。這項研究除了對臨床醫(yī)學的直接影響外，還具有間接的臨床應用。利用這種聲光技術來監(jiān)測具有大腦疾病的小鼠的活動，并選擇性地刺激不同的神經通路，研究人員能夠研究帕金森等疾病的相關機制，為下一代臨床治療的方案設計提供重要信息?！皽啙峤橘|一直被認為是光學成像的障礙，”說，“不過，我們已經證明，這種障