第一激光超声图像的人类没有皮肤接触

一种新的超声技术使用激光器在皮肤下产生图像，而不会随着传统的超声探头与皮肤接触。新的激光超声技术用于生产人前臂（上述）的图像（左），其也使用常规超声（右）成像。

对于大多数人来说，获得超声波是一种相对简单的程序：由于技术人员轻轻地向患者的皮肤压制探头，探针产生的声波穿过皮肤，在反射回到探针之前，偏离肌肉，脂肪和其他软组织，该探针检测并将波浪转换为图像是什么谎言。

传统的超声波不会使患者暴露于X射线和CT扫描仪的有害辐射，并且通常是非侵入性的。但它确实需要与患者的身体接触，因此，可能会限制临床医生可能想要图像不容忍探测器的患者的情况，例如婴儿，烧伤受害者或其他敏感皮肤的患者。此外，超声波探头接触诱导显着的图像变异性，这是现代超声成像中的主要挑战。

现在，麻省理工学院工程师已经提出了传统超声的替代方案，不需要与身体接触以在患者内部看到。新的激光超声技术利用眼睛和皮肤安全的激光系统来远程图像的内部。在患者的皮肤上培训时，一个激光器远程产生通过身体反弹的声波。第二激光器远程检测反射波，研究人员然后将其转化为类似于传统超声的图像。

在今天（2019年12月20日）发表的论文中，本质：科学和应用，团队报告在人类中产生第一激光超声图像。研究人员扫描了几种志愿者的前臂，并观察到常见的组织特征，如肌肉，脂肪和骨骼，低于皮肤下方约6厘米。这些图像与传统超声相当，使用从半米的志愿者聚焦到志愿者的远程激光器产生。

“我们在激光超声中可以做的开始，”医学工程和科学（IMES研究所）的主要研究科学家Brian W. Anthony说。“想象一下，我们可以在我们可以做的一切，超声现在可以做到，但在一段距离。这为您提供了一种全新的方式看到身体内的器官并确定深组织的性质，而不与患者接触。“

南安东尼的共同作者是本文的主要作者和MIT Postdoc Xiang（Shawn）Zhang，最近的博士毕业生Jonathan Fincke，以及Charles Wynn，Matthew Johnson和MIT林肯实验室的罗伯克·赫尔特

叫峡谷 - 用手电筒

近年来，研究人员在称为光声学的领域中探索了基于激光的方法。而不是直接将声波直接发送到正文中，而是以脉冲激光在特定波长调谐的脉冲激光器的形式中发送，以穿透皮肤并被血管吸收。

血管迅速膨胀和放松 - 立即被激光脉冲加热，然后通过身体迅速冷却到原来的尺寸 - 仅通过另一个光脉冲再次击中。由此产生的机械振动产生备份的声波，其中可以通过放置在皮肤上的换能器并将其转换成光声图像来检测它们。

虽然光声使用激光器来远程探测内部结构，但该技术仍然需要探测器与身体直接接触，以便拾取声波。更重要的是，光线只能在褪色前行驶到皮肤中。结果，其他研究人员已经在皮肤下面使用光声测量图像血管，但不会更深。

由于声波进一步进入身体，而不是光，张，安东尼，他们的同事寻找一种方法来将激光束的光转换为皮肤表面的声波，以便在身体中更深地进行图像。

基于他们的研究，团队选择了1,550纳米的激光器，波长被水高度吸收（并且具有大安全裕度的眼睛和皮肤安全）。随着皮肤基本上由水组成，团队推出它应该有效地吸收这种光线，并加热并扩大响应。当它振荡回到正常状态时，皮肤本身应该产生通过身体传播的声波。

研究人员用激光设置测试了这种想法，使用一个脉冲激光器设定在1,550纳米处产生声波，第二连续激光器调谐到相同的波长，以远程检测反射声波。该第二激光器是一种敏感的运动检测器，其测量由声波撞击肌肉，脂肪和其他组织的声波引起的皮肤表面上的振动。由反射声波产生的皮肤表面运动导致激光频率的变化，可以测量。通过机械地扫描在身体上，科学家可以在不同位置获取数据并产生该区域的图像。

“这就像我们在沿着墙上行走并在不同的地方听着大峡谷时，我们不断大喊大叫，”安东尼说。“那然后给你足够的数据到P出来的所有东西的几何形状，因为波浪反对 - 而大喊大叫是用手电筒完成的。”

在家里的成像

研究人员首先使用了新的设置到嵌入明胶模具中的图像金属物体大致类似于皮肤的含水量。它们使用商业超声探头成像相同的明胶，发现这两种图像都是相似的。他们搬到了图像切除的动物组织 - 在这种情况下，猪皮 - 在那里他们发现激光超声可以区分椎间板特征，例如肌肉，脂肪和骨之间的边界。

最后，该团队使用麻省理工学院委员会批准的人类作为实验科目的议定书进行了人类的第一个激光超声实验。在扫描几个健康志愿者的前臂之后，研究人员生产了人类的第一个完全非接触的激光超声图像。脂肪，肌肉和组织边界清晰可见并与使用基于商业接触的超声探头产生的图像相当。

研究人员计划提高他们的技术，他们正在寻找提升系统性能来解决组织中的细节的方法。它们也希望磨练检测激光的能力。进一步沿着道路，他们希望小型化激光设置，使激光超声可能有一天作为便携式设备部署。

“我可以想象一个场景，你能在家里做到这一点，”安东尼说。“当我早上起床时，我可以获得我的甲状腺或动脉的形象，并且可以在我身体内部家庭生理成像。您可以想象在环境环境中部署这一点以了解您的内部状态。“

该研究部分由MIT林肯实验室生物医学线计划为美国空军和美国陆军医学研究和材料指挥的军事运营医学研究计划提供支持。

参考：“完全非接触激光超声：第一人体数据”由湘拳，乔纳森R. Fincke，Charles M. Wynn，Matt R. Johnson，Robert W. Haupt和Brian W. Anthony，2019年12月20日，Light：科学与应用.DOI：
10.1038 / s41377-019-0229-8