麻省理工(MIT)工程师开发了一种激光超音波技术,利用对眼睛和皮肤安全的激光系统,不需碰触皮肤即可对人体内部进行远端成像,未来或将能替代传统超音波使用在特殊需求患者身上。
相较起 X 光、CT 断层扫描,超音波检查是相对简单的探测过程,医护人员只需要将探头轻轻按压在患者皮肤上,便能透过反射声波获得影像。但即使是这样简单的过程,对于婴儿、烧伤及皮肤敏感患者来说仍无法承受,无法透过传统超音波进行检测。
在《光:科学与应用》(Light: Science & Applications)期刊的最新研究中,MIT 团队介绍了他们所开发的激光超音波技术,以及在人体上使用的第一张激光超音波影像。
研究资深作者、MIT 医学工程与科学研究所(IMES)首席研究科学家 Brian W. Anthony 表示,他相信团队正处于激光超音波的发展起点。
“想像一下,当我们可以做到所有超音波可以做的事,但同时又保持一定距离。这为你提供了一种全新的方式,查看体内器官并确定深层组织的性质,而不需与患者接触。”
近年来,研究人员在光声(photoacoustics)领域中探索了基于激光的超音波技术,尽管已经能使用激光远程探测内部结构,但仍需要与人体直接接触的探头才能拾取声波,而且只能成像浅层血管,实用价值并不高。
由于声波能比光传播更远距离,团队决定寻找另一种方法将激光光转换为皮肤表面声波,好让技术能成像更深层的人体组织状况。
在经过研究后,团队选择了 1,550 奈米波长的脉冲激光,这个波长能被水高度吸收,对眼睛和皮肤来说非常安全,透过脉冲激光控制皮肤中水的膨胀收缩产生稳定振动,从而产生声波在体内传播反射。
接着研究人员再使用连续波激光来远程检测反射的声波,透过测量声波从肌肉、脂肪和其他组织反射回来导致的皮肤表面振动,便可以获取不同位置的数据并生成该区域的影像。
为了测试装置的实用性,研究人员先后在明胶模具、动物组织上进行了成像测试,两次都得到了非常好的结果,也与需接触的超音波探头得出的影像非常相似,这也使他们随后获得 MIT 人体实验委员会的允许,得以找来健康志愿者进行测试扫描。
在对数名志愿者前臂扫描后,研究人员获得了第一张完全非接触式激光超音波人体影像,从影像中可以看出,激光超音波可以区分微妙的特征,脂肪、肌肉和组织的边界清晰可见,完全可以与需接触的商业超音波探头产生的影像相媲美,而且扫描过程还是与志愿者保持半米距离下完成的。
研究人员计划改进他们的技术,提高系统性能来解决组织中细微特征,并提高激光检测器的功能,并进一步缩小激光器的设置,如果顺利,激光超音波有一天可能成为便携式设备,让人们可以在家中简单操作。
Anthony 形容,这就像是人们沿着大峡谷的边缘走来走去,在不同位置不断大喊的同时听着回音,“透过反射的声波,你就能获得足够数据搞懂内部物体的几何形状──差别只在于这一切是透过‘手电筒’完成。”
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(首图来源:MIT)