雖然超聲波是最常見的醫(yī)學成像工具之一，但是傳統(tǒng)的電子超聲設備往往體積龐大并且不能與其他一些成像技術同時使用。使用光學元件而不是電子元件的新超聲系統(tǒng)可以提高性能，同時為醫(yī)生在超聲診斷和治療醫(yī)療問題方面提供更大的靈活性。

在光學學會(OSA)期刊Biomedical Optics Express中，研究人員首次使用全光學超聲成像儀進行生物組織的視頻，實時2D成像。該成就是使全光學超聲實用于常規(guī)臨床使用的重要一步。

因為它們在成像探頭中不需要電子元件，所以全光學超聲系統(tǒng)可以安全地與磁共振成像(MRI)掃描儀一起使用。這將使醫(yī)生更全面地了解感興趣區(qū)域周圍的組織，例如腫瘤或血管。

“全光學超聲成像探頭有可能徹底改變圖像引導的干預措施，”英國倫敦大學學院的Erwin J. Alles說。“缺乏電子設備和由此產生的MRI兼容性將允許真正的多模態(tài)圖像引導，探測器可能只是傳統(tǒng)電子對應物成本的一小部分。”

設備內置的Lightbeam掃描鏡可提高圖像質量，并可以在不同模式下采集圖像。在臨床環(huán)境中，這將允許醫(yī)生在單個儀器上的模式之間快速切換以適應手頭的任務。使用傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)獲取不同類型的圖像通常需要單獨的專用探針。

“掃描鏡提供的靈活性將允許2D和3D成像之間的無縫切換，以及圖像分辨率和穿透深度之間的動態(tài)可調節(jié)折衷，而無需交換成像探頭，”Alles說。“特別是在微創(chuàng)介入設置中，交換成像探針具有很高的破壞性，延長了手術時間并給患者帶來了風險。”

消除電子產品

傳統(tǒng)的超聲成像器使用電子換能器陣列將高頻聲波傳輸到組織中并接收反射。然后計算機構建組織的圖像。

相比之下，全光學超聲成像儀使用光來發(fā)射和接收超聲波。脈沖激光用于產生超聲波，并且掃描鏡控制波傳輸到組織的位置。光纖傳感器接收反射波。

傳統(tǒng)超聲設備的電子部件使得它們難以小型化以供內部使用，因此大多數現有的超聲設備是放置在皮膚上的大型手持探針。雖然已經開發(fā)了一些高分辨率微創(chuàng)超聲探頭，但它們對于常規(guī)臨床使用來說太昂貴了。研究人員稱，光學元件很容易小型化，微型全光學超聲探頭的制造成本可能比緊湊型電子超聲系統(tǒng)便宜得多。

加快圖像處理速度

為了生成圖像，全光學超聲系統(tǒng)必須從多個光源位置獲取數據，將它們組合在一起，然后創(chuàng)建可重建被成像區(qū)域的可視化。

研究人員之前已經證明使用全光學超聲波來生成高質量的2D和3D圖像，但是獲取圖像需要數小時，這使得這些設備太慢而無法在臨床環(huán)境中使用。新的演示是第一個以視頻速率采用全光學超聲波獲取和顯示圖像的演示。

“通過結合新的成像范例，新的光學超聲波生成材料，優(yōu)化的超聲源幾何結構和高靈敏度的光纖超聲探測器，我們實現了比當前狀態(tài)快三個數量級的圖像幀速率。這是藝術，“Alles說。

醫(yī)療多功能工具

光學超聲系統(tǒng)本質上比它們的電子對應物更通用，因為它們可以以更大的帶寬產生聲音。Alles及其同事演示了如何操縱光源以產生低頻超聲波，從而產生更大的穿透力，或高頻超聲波，可在較淺的深度提供更高分辨率的圖像。

該團隊通過對已死亡的斑馬魚以及他們操縱的豬動脈進行成像來測試他們的原型系統(tǒng)，以模擬脈動血液的動力學。該演示顯示成像能力可與電子高頻超聲系統(tǒng)相媲美，持續(xù)幀速率為15赫茲，動態(tài)范圍為30分貝，穿透深度為6毫米，分辨率為75×100微米。

為了使該技術適用于臨床，研究人員正致力于開發(fā)一種用于徒手操作的長而靈活的成像探頭，以及用于內窺鏡應用的小型化探頭。