麻省理工學(xué)院研究團隊開發(fā)一種新型醫(yī)學(xué)成像設(shè)備

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實驗室和馬薩諸塞州總醫(yī)院超聲研究與轉(zhuǎn)化中心的研究團隊合作開發(fā)了一種新型醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，被稱為非接觸式激光超聲（NCLUS）系統(tǒng)。這種基于激光的超聲成像系統(tǒng)可以提供器官、脂肪、肌肉、肌腱和血管等人體內(nèi)部特征的圖像，還可以測量骨骼強度，通過進一步開發(fā)還有望實現(xiàn)疾病發(fā)展階段的跟蹤。

“這項申請專利且對皮膚安全的激光系統(tǒng)概念，旨在通過克服傳統(tǒng)接觸式探頭的局限性來變革醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)?！绷挚蠈嶒炇矣性?a target="_blank">光學(xué)系統(tǒng)研究組高級職員、首席研究員Robert Haupt解釋稱。Haupt及其同事Charles Wynn是該技術(shù)的共同發(fā)明人，助理組長Matthew Stowe為NCLUS項目提供技術(shù)指導(dǎo)和監(jiān)督。Rajan Gurjar是系統(tǒng)集成負(fù)責(zé)人，Jamie Shaw、Bert Green、Brian Boitnott（現(xiàn)就職于斯坦福大學(xué)）和Jake Jacobsen合作進行了光學(xué)和機械工程以及系統(tǒng)構(gòu)建。

NCLUS配備了微型激光源和接收器、柔性光纖、反射鏡以及相機

醫(yī)學(xué)超聲成像的實踐應(yīng)用

利用超聲波成像，醫(yī)生可以無創(chuàng)地“觀察”人體內(nèi)部，對不同的組織及其形狀進行成像。超聲波還可以測量動脈和靜脈中的血流脈沖，表征組織和器官的機械特性（彈性成像）。超聲波成像能夠幫助醫(yī)生評估并診斷各種健康狀況、疾病和損傷。例如，超聲波可以對發(fā)育中胎兒的解剖結(jié)構(gòu)進行成像，檢測腫瘤，測量心臟瓣膜狹窄或滲漏的程度等。從基于iPhone的手持超聲設(shè)備到基于推車的醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)，超聲波成像具有高度便攜性且相對經(jīng)濟，已經(jīng)廣泛用于即時檢測和遠(yuǎn)程醫(yī)療。

傳統(tǒng)超聲成像的局限性

盡管最先進的醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)已經(jīng)能夠解析毫米以內(nèi)的組織特征，但該技術(shù)仍然存在一定的局限性。例如，超聲檢查人員需要用手操作探頭尋找觀察人體內(nèi)部的最佳窗口，這可能會導(dǎo)致成像誤差。具體來說，檢察人員通過感覺向探頭施加壓力時，隨機按壓探頭接觸的局部組織，可能會導(dǎo)致組織特性發(fā)生不可預(yù)測的變化，從而影響超聲波的傳播路徑，進而使系統(tǒng)無法準(zhǔn)確對組織特征形狀進行成像。此外，即使稍微傾斜探頭，也會改變圖像視圖的角度平面使圖像傾斜，造成組織特征定位的不準(zhǔn)確。

這種圖像失真和定位不確定性影響很大，有可能無法以足夠的置信度進行解析，例如，腫瘤是變大還是變小，以及腫瘤在宿主組織中的精確位置等。此外，特征尺寸、形狀和位置的不確定性也會在重復(fù)測量中變化，即使是同一位超聲檢查醫(yī)師也會面對這種窘境。而不同的超聲檢查醫(yī)師嘗試進行相同的檢測時，這種不確定性會更加嚴(yán)重。

由于這些缺點，超聲波通常無法追蹤癌性腫瘤及其它疾病狀態(tài)。相比之下，磁共振成像（MRI）和計算機斷層掃描（CT）等方法雖然成本高得多，系統(tǒng)規(guī)模更大，復(fù)雜度更高，并且存在輻射風(fēng)險，但還是需要利用它們來跟蹤疾病的進展情況。

通過超聲成像的完全自動化獲取，NCLUS有望降低對超聲檢查醫(yī)師的要求，并降低操作人員的人為不確定性。激光定位可以精確再現(xiàn)，從而消除重復(fù)測量的差異。此外，由于測量是非接觸的，因此不會發(fā)生局部組織壓迫或與之相關(guān)的圖像特征失真。此外，與MRI和CT類似，NCLUS也可以提供一種固定的參考系，利用皮膚標(biāo)記來再現(xiàn)并比較隨時間推移的重復(fù)掃描。為了支持這種跟蹤功能，研究團隊開發(fā)了一種軟件，可以處理超聲波圖像并檢測它們之間的所有變化。NCLUS既不需要醫(yī)師手動加壓，也不需要偶聯(lián)凝膠（傳統(tǒng)接觸式探頭需要），也使其成為身體部位疼痛或敏感、狀態(tài)脆弱或有感染風(fēng)險患者的理想選擇。

光致超聲波

光可以在皮膚表面附近被吸收，導(dǎo)致組織局部發(fā)熱和變形。這種熱彈性過程會產(chǎn)生超聲波，并反射回皮膚表面。

NCLUS采用脈沖激光，通過空氣將光能傳輸?shù)狡つw表面，一旦進入皮膚就會被快速吸收。因此，光脈沖會引起瞬時局部加熱，并通過熱彈性過程使皮膚迅速變形，進而產(chǎn)生超聲波，充當(dāng)超聲波源——這種現(xiàn)象被稱為光聲效應(yīng)。

NCLUS采用脈沖激光器（綠色）產(chǎn)生超聲波，通過帶有接收通道（紅色）的激光測振儀檢測返回波。相機（灰色）記錄激光束位置，用于圖像構(gòu)建。

光脈沖能夠產(chǎn)生足夠的超聲波功率，其頻率與實踐中的醫(yī)學(xué)超聲頻率相當(dāng)，同時皮膚不會有任何感覺。該團隊為光學(xué)載波波長的選擇申請了專利，其光聲過程旨在創(chuàng)建一致的超聲波源，不受皮膚顏色或組織粗糙度的影響。

從組織內(nèi)部返回的超聲回波以局部振動的形式呈現(xiàn)于皮膚表面，通過高靈敏度的專用激光多普勒測振儀可以進行測量。

Haupt解釋道：“通過合適的激光發(fā)射和接收，任何暴露的組織表面都可以成為可用的超聲波源和探測器?！?/p>

臨床實踐進展

2019年，該團隊證明NCLUS概念驗證（GEN-1）系統(tǒng)可以利用皮膚安全的激光從受試人體獲取超聲波圖像，這在醫(yī)學(xué)界尚屬首次。不過，獲取圖像數(shù)據(jù)的時間很長，對于臨床實踐來說不可行。此外，GEN-1系統(tǒng)的圖像分辨率顯著低于最先進的醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)。

NCLUS GEN-1證明掃描激光可以在人體內(nèi)產(chǎn)生超聲波并被接收器捕捉。然而，與標(biāo)準(zhǔn)超聲系統(tǒng)相比，圖像采集需要耗時20多分鐘，并且分辨率相對較低。

此后，為了使NCLUS GEN-1能夠適用于臨床測試的操作系統(tǒng)，研究團隊對其進行了重大的工程改進。在臨床NCLUS系統(tǒng)中，激光源和接收器都進行了小型化，安裝在連接到便攜式支架的光學(xué)探頭中。其脈沖和掃描激光器比GEN-1系統(tǒng)快了500倍，從而將整個圖像數(shù)據(jù)采集時間縮短到了一分鐘以內(nèi)。未來的NCLUS原型圖像捕捉更快，僅需要不到1秒的時間即可完成。新臨床系統(tǒng)的超聲頻率也比GEN-1系統(tǒng)高得多，分辨率低至200微米，與當(dāng)前最先進的醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)相當(dāng)。

NCLUS臨床系統(tǒng)中配有五個激光多普勒測振儀（LDV）接收器，可以對模擬組織凝膠體模中的細(xì)線和孔進行成像，提供與傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)相當(dāng)?shù)娘@示效果。

可移動支架能夠?qū)崿F(xiàn)多個自由度，以對人體的各個區(qū)域進行光聲成像。光學(xué)探頭內(nèi)部還有可編程快速轉(zhuǎn)向鏡，可自動定位光源并接收激光束，以精確建立超聲陣列。該系統(tǒng)利用一臺2D激光雷達(dá)來繪制患者皮膚表面的形貌圖；一臺高幀率短波紅外（SWIR）相機記錄激光源和接收器在皮膚上的投影位置，以提供構(gòu)建超聲波圖像所需要的陣列參數(shù)。皮膚表面形貌圖和激光位置記錄通過皮膚的自然特征（例如雀斑等）來標(biāo)記。通過這種方式，建立了一種固定的參考系，用于隨時間的推移執(zhí)行精確的重復(fù)掃描。

在骨/組織體模中相同區(qū)域骨表面添加0.5 mm缺陷之前（左）和之后（中）的NCLUS成像，（右）圖指示了變化。

NCLUS臨床系統(tǒng)通過合成孔徑處理生成全自動且配準(zhǔn)的超聲波圖像。該團隊在一個基于凝膠的冰球上演示了該系統(tǒng)，該冰球與控制超聲波傳播的人體組織（體模）的機械特性相匹配。

目前，該團隊正在進一步開發(fā)NCLUS，以支持前沿的軍事應(yīng)用。這些應(yīng)用包括：檢測和表征器官內(nèi)出血造成的危及生命的損傷；監(jiān)測使人衰弱的肌肉骨骼損傷，及其隨時間的愈合情況；以及提供截肢者肢體區(qū)域的軟組織和骨骼的彈性成像，以加速假肢接受腔的設(shè)計和安裝。其民用應(yīng)用包括重癥監(jiān)護室的成像等。借助NCLUS，急救醫(yī)療技術(shù)人員、護理人員和沒有受過專門超聲培訓(xùn)的醫(yī)務(wù)人員，有望能夠在院外（例如醫(yī)生辦公室、家里或偏遠(yuǎn)的戰(zhàn)場環(huán)境）進行超聲成像。

在NCLUS項目的下一階段，該團隊將采用對皮膚安全的激光源進行臨床研究，以評估超聲成像性能，并將其與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)超聲成像進行比較。如果這些研究成功，該團隊將尋求臨床醫(yī)療器械開發(fā)的商業(yè)化資金，然后申請美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的批準(zhǔn)。

審核編輯：彭菁