研究人员产生了人类的第一幅激光超声图像

对于大多数人来说，获取超声波是一个相对容易的过程：当技术人员将探头轻轻地压在患者的皮肤上时，探头产生的声波会​​穿过皮肤传播，从肌肉，脂肪和其他软组织上弹起，然后反射回去。探测头，探测并转换波成下面的图像。

常规超声不会像X射线和CT扫描仪那样使患者暴露于有害辐射下，并且通常是无创的。但这确实需要与患者的身体接触，因此，在临床医生可能想成像不能很好耐受探针的患者（例如婴儿，烧伤受害者或其他皮肤敏感的患者）的情况下，可能会受到限制。此外，超声探头的接触引起显着的图像可变性，这是现代超声成像中的主要挑战。

现在，麻省理工学院的工程师提出了一种替代常规超声的方法，该超声无需接触身体即可看到患者体内。新的激光超声技术利用对眼睛和皮肤安全的激光系统来对人体内进行远程成像。在患者的皮肤上进行训练时，一束激光会远程产生通过身体反弹的声波。第二台激光器远程检测反射波，然后研究人员将其转换为类似于常规超声的图像。

在《自然》杂志今天发表在《光：科学与应用》杂志上的一篇论文中，研究小组报告了在人类中产生第一批激光超声图像的过程。研究人员扫描了几名志愿者的前臂，观察了常见的组织特征，例如肌肉，脂肪和骨骼，其深度低于皮肤约6厘米。这些图像可与传统超声相媲美，是使用远程激光聚焦在半米外的志愿者身上产生的。

麻省理工学院机械工程系和医学工程与科学研究所（IMES）的首席研究科学家Brian W. Anthony说：“我们才开始使用激光超声。 。“想象一下，我们已经达到了超声波现在可以做的所有事情的程度，但是距离很远。这为您提供了一种全新的方式来查看体内器官并确定深层组织的特性，而无需与患者接触。”

用于医学成像的非接触式激光超声的早期概念源自林肯实验室计划，该计划由Active OPTical Systems Group的Rob Haupt和Advanced Capabilities and Technologies Group的Chuck Wynn建立，他们与Matthew Johnson共同撰写了新论文。从那里开始，这项研究是通过与安东尼和他的学生张翔（现为麻省理工学院的博士后，是该论文的第一作者）以及最近的博士研究生乔纳森·芬克（Jonathan Fincke）（也是合著者）的合作而发展的。该项目将林肯实验室研究人员在激光和光学系统方面的专业知识与安东尼小组在先进超声系统和医学图像重建方面的经验相结合。

用手电筒大喊大叫的峡谷

近年来，研究人员在称为光声的领域中探索了基于激光的超声激发方法。与其直接将声波发送到体内，不如说是发送以特定波长调谐的脉冲激光形式的光，该光穿透皮肤并被血管吸收。

血管迅速膨胀和放松-由激光脉冲立即加热，然后由人体迅速冷却回到其原始大小-然后又被另一个光脉冲击中。产生的机械振动会产生回传的声波，可以通过放置在皮肤上的换能器检测到并转化为光声图像。

尽管光声技术使用激光来远程探测内部结构，但该技术仍然需要与人体直接接触的探测器才能拾取声波。而且，光在消失之前只能进入皮肤很短的距离。结果，其他研究人员已经使用光声技术在皮肤下面对血管成像，但没有更深。

由于声波比光传播到体内的距离更远，Zhang，Anthony和他们的同事正在寻找一种方法，可以将激光束的光转换为皮肤表面的声波，以便在体内成像更深。

根据他们的研究，该团队选择了1,550纳米激光，该波长被水高度吸收（并且对眼睛和皮肤安全，并具有很大的安全裕度）。由于皮肤基本上是由水组成的，因此研究小组认为皮肤应该有效吸收这种光，并因此而变热并扩张。当其振荡回到其正常状态时，皮肤本身应产生通过身体传播的声波。

研究人员使用一种激光装置测试了这个想法，该装置使用一个波长为1,550纳米的脉冲激光来产生声波，并使用第二个连续激光调谐到相同的波长以远程检测反射的声波。第二个激光是灵敏的运动检测器，可测量由声波从肌肉，脂肪和其他组织反射回来的皮肤表面的振动。反射的声波产生的皮肤表面运动会引起激光频率的变化，可以测量出该变化。通过机械扫描人体上的激光，科学家可以获取不同位置的数据并生成该区域的图像。

安东尼说：“这就像我们在沿着墙走来走去，在不同的地方聆听时，一直在大吼大叫。” “然后，您将获得足够的数据来弄清楚波浪在其中反弹的所有内部物体的几何形状，然后通过手电筒大喊大叫。”

家庭成像

研究人员首先使用这种新装置对嵌入明胶模具中的金属物体进行成像，该金属制品与皮肤的水分含量大致相似。他们使用市售的超声波探头对相同的明胶进行成像，发现这两个图像令人鼓舞地相似。他们继续对切除的动物组织（在本例中是猪皮）成像，在那里他们发现激光超声可以区分微妙的特征，例如肌肉，脂肪和骨骼之间的边界。

最后，研究小组使用麻省理工学院使用人类作为实验对象的委员会批准的方案，在人类中进行了首次激光超声实验。在扫描了几位健康志愿者的前臂后，研究人员制作了人类的第一张完全非接触式激光超声图像。脂肪，肌肉和组织的边界清晰可见，可与使用基于接触的商业超声探头生成的图像相媲美。

研究人员计划改善他们的技术，他们正在寻找提高系统性能的方法，以解决组织中的细微特征。他们还希望提高检测激光器的功能。在更远的将来，他们希望将激光设置最小化，以便有一天将激光超声部署为便携式设备。

安东尼说：“我可以想象一个场景，您可以在家中完成此任务。” “早上起床时，我可以获得甲状腺或动脉的图像，并且可以在体内进行体内生理成像。您可以想象将其部署在周围环境中以了解您的内部状态。”

这项研究得到了美国空军的MIT林肯实验室生物医学线计划和美国陆军医学研究与物质司令部的军事手术医学研究计划的部分支持。