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多功能超声系统可以改变医生使用医学成像的方式

2019-03-05 17:21:37来源:

虽然超声波是最常见的医学成像工具之一,但是传统的电子超声设备往往体积庞大并且不能与其他一些成像技术同时使用。使用光学元件而不是电子元件的新超声系统可以提高性能,同时为医生在超声诊断和治疗医疗问题方面提供更大的灵活性。

在光学学会(OSA)期刊Biomedical Optics Express中,研究人员首次使用全光学超声成像仪进行生物组织的视频,实时2D成像。该成就是使全光学超声用于常规临床使用的重要一步。

因为它们在成像探头中不需要电子元件,所以全光学超声系统可以安全地与磁共振成像(MRI)扫描仪一起使用。这将使医生更全面地了解感兴趣区域周围的组织,例如肿瘤或血管。

“全光学超声成像探头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。“缺乏电子设备和由此产生的MRI兼容性将允许真正的多模态图像引导,探测器可能只是传统电子对应物成本的一小部分。”

设备内置的Lightbeam扫描镜可提高图像质量,并可以采集不同模式的图像。在临床环境中,这将允许医生在单个仪器上快速切换模式以适应手头的任务。使用传统超声系统获取不同类型的图像通常需要单独的专用探针。

“扫描镜提供的灵活性将允许2D和3D成像之间的无缝切换,以及图像分辨率和穿透深度之间的动态可调节折衷,而无需交换成像探头,”Alles说。“特别是在微创介入设置中,交换成像探针具有很强的破坏性,延长了手术时间并给患者带来了风险。”

消除电子产品

传统的超声成像器使用电子换能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发射和接收超声波。脉冲激光用于产生超声波,并且扫描镜控制波传输到组织的位置。光纤传感器接收反射波。

传统超声设备的电子部件使得它们难以小型化以供内部使用,因此大多数现有的超声设备是放置在皮肤上的大型手持探针。虽然已经开发了一些高分辨率微创超声探头,但它们对于常规临床使用来说太昂贵了。研究人员说,光学元件很容易小型化,微型全光学超声探头的制造成本可能比紧凑型电子超声系统便宜得多。

加快图像处理速度

为了生成图像,全光学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,然后创建可重建被成像区域的可视化。

研究人员之前已经证明使用全光学超声波来生成高质量的2D和3D图像,但是获取图像需要数小时,这使得这些设备太慢而无法在临床环境中使用。新的演示是第一个以视频速率采用全光学超声波获取和显示图像的演示。

“通过结合新的成像范例,新的光学超声波生成材料,优化的超声源几何结构和高灵敏度的光纤超声探测器,我们实现了比当前状态快三个数量级的图像帧速率。这是艺术,“Alles说。

医疗多功能工具

光学超声系统本质上比它们的电子对应物更通用,因为它们可以以更大的带宽产生声音。Alles及其同事演示了如何操纵光源以产生低频超声波,从而产生更大的穿透力,或高频超声波,可在较浅的深度提供更高分辨率的图像。

该团队通过对已死亡的斑马鱼以及他们操纵的猪动脉进行成像来测试他们的原型系统,以模拟脉冲血液的动态。该演示显示成像能力可与电子高频超声系统相媲美,持续帧速率为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。

为了使该技术适用于临床,研究人员正致力于开发一种用于徒手操作的长而灵活的成像探头,以及用于内窥镜应用的小型化探头。