基于激光的系统实现非接触式医学超声成像

麻省理工学院林肯实验室的研究人员与麻省总医院超声研究与转化中心的合作者，共同开发了一种新型医疗成像设备——非接触式激光超声（NCLUS）。这种基于激光的超声系统可提供人体内部特征的图像，如器官、脂肪、肌肉、肌腱和血管。该系统还能测量骨强度，并有可能追踪疾病的不同阶段。

“我们获得专利的激光系统概念，旨在通过克服传统接触探头的局限性，即超声波技术人员之间技术的差异性和接触病人的需要，从而改变未来的医学超声波探测。”林肯实验室主动光学系统组高级职员、首席研究员Robert Haupt解释说。

Haupt和高级职员Charles Wynn是这项技术的共同发明人，小组副组长Matthew Stowe负责NCLUS项目的技术领导和监督。Rajan Gurjar是系统集成商负责人，Jamie Shaw、Bert Green、Brian Boitnott（现就职于斯坦福大学）和Jake Jacobsen则在光学和机械工程以及系统构建方面开展合作。

 

医学超声波实践

如果医生要求进行超声波检查，训练有素的超声波技师会在患者身体上按压和操纵一个手持设备（超声波换能器，也称为探头）。当超声波技师将探头推过皮肤时，高频声波（超声波）会穿透并传播到身体组织，并在不同的组织结构和特征上产生“回声”。这些回声来自身体深处的脂肪、肌肉、器官、血管和骨骼的组织强度（组织软硬度）变化。探头接收返回的回波，并将其组合成人体内部特征的表征图像。专门的处理程序用于构建组织特征的二维或三维形状，然后将这些结构实时显示在计算机显示器上。

 

图1：研究团队成员（从左到右）：Rajan Gurjar、Jake Jacobsen（跪姿）、Bert Green、Robert Haupt、Jamie Shaw、Brian Boitnott和Matthew Stowe共同开发了非接触式激光超声波

利用超声波，医生可以实现无创“透视”身体内部，对各种组织及其几何形状进行成像。超声波还能测量动脉和静脉中的血流脉动，并能描述组织和器官的机械特性（弹性成像）。医生通常使用超声波来评估和诊断各种健康状况、疾病和损伤。例如，超声波可用于成像发育中胎儿的解剖结构、检测肿瘤以及测量心脏瓣膜的狭窄或渗漏程度。从iPhone手机上的手持设备到推车式系统，超声波具有高度便携性，与磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）等其他医学成像技术相比价格相对低廉，可广泛应用于医疗点和远程现场。

 

图2：NCLUS便携式多自由度平面定位电枢（上图）将一个光学头（左下图）分级，光学头内装有微型激光源和接收器、柔性光纤、反射镜和摄像头（右下图）

 

超声波的局限性

虽然最先进的医学超声系统可以识别几毫米范围内的组织特征，但这种技术也有一些局限性。由于超声技师会用手操作探头，以获得进入体内的最佳观察窗口，因此超声波很容易出现成像错误。更具体地说，当超声技师凭感觉对探头施加压力时，会随机压缩探头接触的局部组织。这种压缩会导致组织属性发生不可预测的变化，从而影响超声波的传播路径。最终，这种压缩会扭曲所产生的组织特征图像，无法准确绘制出特征形状。此外，倾斜探头，即使是轻微的倾斜，也会改变图像视图的角度平面，使图像偏斜，造成特征在体内位置的不确定性。

这些局限性可能非常明显，以至于超声波无法以足够的信心确定肿瘤是变大了还是变小了，以及肿瘤在宿主组织中的确切位置。此外，在重复测量时，组织特征的大小、形状和位置的不确定性也会发生变化，即使是同一超声技师在重复测量时也是如此。这种不确定性被称为操作者变异性，当不同的超声技师尝试进行相同的测量时，这种不确定性会更加严重，从而导致操作者之间的变异性。由于这些缺点，超声波通常被限制用于追踪癌症肿瘤和其他疾病状态。取而代之的是核磁共振成像和CT等方法，这些方法成本高昂（约100万美元）、系统规模更大、更复杂，而且存在辐射风险，但仍被强制用于跟踪疾病的进展情况。

 

图3：光学能量在皮肤表面附近被吸收，导致组织局部发热和变形。这种热弹性过程会产生超声波，超声波会回波到皮肤表面

 

图4：NCLUS使用脉冲激光（绿色）产生超声波，并使用带接收通道的激光测振仪（红色）检测回波。摄像头（灰色）记录用于构建图像的激光束位置

“数十年来，变异性一直是医学超声的一个主要限制因素。”MGH放射科影像科学副主任兼CURT主任Anthony Samir博士说。Samir和他在MGH CURT的同事Kai Thomenius博士和Marko Jakolvejic博士为实验室团队提供了重要的医学经验、技术专长和传统超声设备指导，并与他们合作开发NCLUS系统。

通过全自动获取超声图像，NCLUS有可能减少对超声技师的需求，并降低操作员的可变性。激光定位可以精确再现，从而消除了重复测量的可变性。由于测量是非接触式的，因此不会对局部组织造成挤压或导致图像特征失真。此外，与核磁共振成像和CT相似，NCLUS利用皮肤标记提供固定参照框架功能，以重现和比较一段时间内的重复扫描。为了支持这种跟踪功能，实验室团队开发了一款软件，用于处理超声图像并检测图像之间的任何变化。NCLUS 既不需要手动加压，也不需要耦合凝胶（接触式探头需要），因此也非常适合有疼痛或敏感身体部位、处于脆弱状态或有感染风险的病人。

“NCLUS可以对烧伤或外伤患者、手术中深部组织开放的患者、需要重症监护的早产儿、颈部和脊柱受伤的患者以及远距离传染病患者进行成像，”Haupt说，“NCLUS可以对烧伤或外伤患者、手术中深部组织开放的患者、需要重症监护的早产儿、颈部和脊柱受伤的患者以及远距离传染病患者进行成像。”

NCLUS采用低成本激光元件。脉冲激光通过空气向皮肤表面发射光能（光能水平符合皮肤暴露的激光安全标准），光能一旦进入皮肤就会被迅速吸收。光脉冲会瞬间导致局部加热，并通过热弹性过程使皮肤迅速变形，进而产生超声波，起到超声源的作用。这种现象被称为光声学。

 

图5：NCLUS GEN-1证明，扫描激光器可以产生和获取人体超声波。不过，图像采集需要20 多分钟。与标准超声波相比，分辨率相对较低

光脉冲能产生足够的超声波功率，其频率可与实际医疗超声波相媲美，同时不会对皮肤造成任何感觉。研究小组对光载波波长的选择申请了专利，这些波长与组织中水含量对光能吸收最多的波长相对应。光声过程旨在产生一致的超声源，不受皮肤颜色或组织粗糙度（如疤痕组织、正常老化或户外等工作环境造成的粗糙度）的影响。

 

图6：NCLUS临床系统配有16台激光多普勒测振仪接收器，可对组织模拟凝胶模型中的细线和孔进行成像，提供与传统超声波相当的显示效果

从组织内部返回的超声回波在皮肤表面表现为局部振动。这些振动由激光多普勒测振仪测量，这是一种使用光束作为超声波接收器的非接触式传感器。这种传感器利用了多普勒效应，这是一种描述声波或光波频率因波源或观察者的相对运动而发生变化的物理现象。例如，该效应解释了为什么当救护车向你驶来时，警报器的音调会升高，而当救护车驶离时，音调又会降低。

“通过将激光发射（脉冲激光）和接收（激光测振仪）组件设置为适当的配置，任何暴露的组织表面都可以成为可行的超声源和探测器，”Haupt解释说，“换句话说，NCLUS的超声阵列设置具有很强的通用性。”

 

向临床运行系统迈进

2019年，该团队展示了NCLUS概念验证（GEN-1）系统能够使用皮肤安全激光获取人体超声图像，这在医学界尚属首次。然而，与实践中的超声波相比，GEN-1 系统从患者身上获取图像数据所需的时间要长得多，因此在临床实践中并不实用，因为在临床实践中，患者在设施中的流动是运营效率的关键。此外，GEN-1系统的图像分辨率大大低于最先进的医疗超声波。

此后，为将NCLUS GEN-1过渡到适合临床测试的运行系统，研究团队进行了大量的工程开发。在临床NCLUS系统中，激光源和接收器都实现了微型化，并安装在连接到便携式衔铁的光学头内。脉冲和扫描激光的速度比GEN-1系统快500倍，从而将整个图像数据采集时间缩短到一分钟以内。未来的NCLUS原型将把采集时间缩短到一秒以内。新临床系统的超声波频率也比GEN-1系统高得多，分辨率可达200微米，与最先进的医学超声波分辨率相当。

 

图7：在骨/组织模型的骨表面添加0.5毫米缺损之前（左）和之后（中），同一区域的NCLUS 图像显示了变化（右）。接触式探针的操作人员的变化会影响图像的配准和分辨率

可移动的电枢能以多种自由度观察人体的各个部位。光学头内还装有可编程的快速转向镜，可自动定位光源和接收激光束，以精确建立超声阵列。二维激光雷达（光探测和测距的缩写）通过向皮肤发射激光并分析反射光，绘制患者皮肤表面的地形图；对短波红外（SWIR）波长范围能量敏感的高帧率相机记录激光源和接收器在皮肤上的投射位置，为构建超声图像提供必要的阵列参数。利用雀斑、胎记或疤痕等自然皮肤特征，对皮肤表面地形图和激光位置记录进行注册。这样，就建立了一个固定的参考框架，以便随着时间的推移对任何皮肤色素沉着进行精确的重复扫描。

研究小组首先在一个基于凝胶的冰球上演示了临床NCLUS系统，该冰球是为了与控制超声波传播的人体组织（称为模型）的机械特性相匹配而合成的。使用医学成像模型进行测试有助于确保人体成像系统和技术的正确运行。

通过赞助项目，该团队目前正在开发NCLUS，以支持美国国防部要求的应用。这些应用包括检测和描述器官内出血造成的危及生命的损伤；监测使人衰弱的肌肉骨骼损伤及其随时间推移的愈合情况；提供截肢者肢体区域软组织和骨骼的弹性成像，以加快假肢套筒的设计和安装。

在民用方面，NCLUS同样可用于评估工作、运动和事故相关伤害以及重症监护室的病例。借助NCLUS，紧急医疗技术人员、护理人员，甚至没有接受过专门超声波成像培训的医务人员，也能在医院以外的地方进行超声波成像，在医生的办公室、在家里或是在偏远的环境中，如战场或难以获得医疗服务的农村地区。

Samir说：随着进一步的开发，NCLUS有可能成为一项变革性技术。一个自动化的便携式超声波平台，具有与核磁共振成像和CT类似的固定参照框架功能。在NCLUS计划的下一阶段，该团队将利用一种可操作的皮肤安全激光器进行临床研究，以评估超声波图像，并将其与传统的医学超声波图像进行比较。如果这些研究取得成功，该团队将为临床医疗设备的开发寻求商业资金，然后获得美国食品和药物管理局的批准。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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