麻省理工学院林肯实验室的研究人员及其在马萨诸塞州总医院（MGH，Massachusetts General Hospital）超声研究和转化中心（CURT， Center for Ultrasound Research and Translation）的合作者开发了一种新的医学成像设备：非接触式激光超声（NCLUS，Noncontact Laser Ultrasound）。这种基于激光的超声系统提供身体内部特征的图像，如器官、脂肪、肌肉、肌腱和血管。该系统还可以测量骨骼强度，并可能随着时间的推移跟踪疾病阶段。
“我们获得专利的皮肤安全激光系统概念旨在通过克服与传统接触式探头相关的限制来改变医学超声。”林肯实验室主动光学系统组的高级研究员Robert Haupt解释说。
Haupt和高级职员Charles Wynn是该技术的共同发明者，助理组长Matthew Stowe为NCLUS计划提供技术领导和监督。Rajan Gurjar是系统集成商的负责人，Jamie Shaw，Bert Green，Brian Boitnott（现就职于斯坦福大学）和Jake Jacobsen合作进行光学和机械工程以及系统构建。

医学超声实践

当超声医师将换能器探头推过皮肤时，高频声波（超声波）会穿透并传播到身体组织，在那里它们“反馈”不同的组织结构和特征。
这些回波表现为声阻抗或组织强度（组织柔软度或刚度）的变化，来自体内深处的脂肪、肌肉、器官、血管和骨骼。探头接收返回的回波，这些回波被组装成身体内部特征的代表性图像。专门的处理方案（合成孔径处理）用于以2D或3D形式构建组织特征的形状，然后将这些结构实时显示在计算机监视器上。
使用超声波，医生可以无创地“看到”身体内部，对各种组织及其几何形状进行成像。超声波还可以测量通过动脉和静脉的血流脉动，并且可以表征组织和器官的机械性能（弹性成像）。超声通常用于协助医生评估和诊断各种健康状况、疾病和损伤。
例如，超声波可用于对发育中的胎儿进行解剖成像，检测肿瘤，并测量心脏瓣膜狭窄或渗漏的程度。从iPhone上的手持设备到基于推车的系统，超声波具有高度便携性，相对便宜，并且广泛用于护理点和远程现场环境。

超声的局限性

尽管最先进的医疗超声系统可以在几分之一毫米内解析组织特征，但该技术存在一些局限性。超声医师徒手操作探头以获得进入身体内部的最佳观察窗口会导致成像错误。更具体地说，当超声医师通过感觉对探头施加压力时，它们会随机压缩探头接触的局部组织，从而导致组织特性的不可预测的变化，从而影响超声波的传播路径。
这种压缩会扭曲具有一些不可预测性的组织特征图像，这意味着特征形状无法准确绘制。此外，倾斜探头（即使稍微倾斜）也会改变图像视图的角度平面，从而扭曲图像并产生特征在主体中位置的不确定性。
图像失真和位置参考不确定性较大，以至于超声无法以足够的置信度进行解析，例如，肿瘤是变大还是变小，以及肿瘤在宿主组织中的精确位置。此外，特征大小、形状和位置的不确定性在重复测量时会有所不同，即使对于试图追溯其步骤的同一位超声医师也是如此。
这种不确定性称为操作员变异性，当不同的超声医师尝试相同的测量时，这种不确定性更为严重，导致操作员之间的变异性。由于这些缺点，超声通常被限制跟踪癌性肿瘤和其他疾病状态。相反，磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）等方法更适合跟踪疾病的进展——即使它们的成本要高得多，系统规模和复杂性更大，并且存在辐射风险。
“几十年来，可变性一直是医学超声的主要限制。”MGH放射学成像科学副主席兼CURT主任Anthony Samir说。Samir和他的MGH CURT同事Kai Thomenius和Marko Jakolvejic为实验室团队提供关键的医疗经验，技术专长和传统超声设备的指导，并与他们合作开发NCLUS系统。
通过完全自动化采集超声图像的过程，NCLUS有可能减少对超声医师的需求并减轻操作员的可变性。激光定位可以精确再现，从而消除重复测量之间的差异。由于测量是非接触式的，因此不会发生局部组织压实或其对图像特征的相关失真。此外，与MRI和CT类似，NCLUS提供了固定参考系功能，使用皮肤标记物来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，实验室团队开发了处理超声图像并检测它们之间任何变化的软件。NCLUS既不需要手动压力，也不需要偶联凝胶（如接触式探头所要求的那样），也是身体疼痛或敏感、处于脆弱状态或有感染风险的患者的理想选择。
Haupt说：“NCLUS可以对烧伤或创伤受害者，手术期间直接具有开放深部组织区域的患者，需要重症监护的早产儿，颈部和脊柱受伤的患者以及距离对峙距离的传染性个体进行成像。”

光致超声波

NCLUS采用脉冲激光，将光能通过空气传输到皮肤表面，在那里光在皮肤中被迅速吸收。光脉冲引起瞬时局部加热，并通过热弹性过程使皮肤迅速变形，进而产生超声波，充当超声波源——这种现象称为光声。
光脉冲产生足够的超声功率，其频率与实践医学超声的频率相当，同时不会对皮肤产生感觉。该团队为光学载流子波长的选择申请了专利，其光声过程旨在创建一致的超声源，不受肤色或组织粗糙度的影响。
从组织内部返回的超声回波以局部振动的形式出现在皮肤表面，由高度灵敏的专用激光多普勒测振仪测量。
“通过适当的激光发射和接收实施，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。

临床化操作系统的进展

2019年，该团队证明NCLUS概念验证（GEN-1）系统可以使用皮肤安全的激光从人类受试者那里获取超声图像，这在医学界尚属首次。然而，从患者受试者那里获取图像数据的时间很长，对于临床实践来说是不切实际的。此外，GEN-1系统的图像分辨率明显低于最先进的医学超声。
此后，为了将NCLUS GEN-1过渡到适合临床试验的操作系统，进行了重大的工程开发。在临床NCLUS系统中，激光源和接收器都小型化并安装在连接到便携式电枢的光学头内。脉冲和扫描的激光器比GEN-500系统快1倍，从而将整个图像数据采集时间缩短到不到一分钟。
未来的NCLUS原型将涉及不到一秒的更快采集时间。新的临床系统还在比GEN-1系统高得多的超声频率下运行，分辨率低至200微米，可与最先进的医疗超声分辨率相媲美。
可移动的骨架使许多自由度可以查看身体的各个区域。光学头内部还有可编程的快速转向镜，可自动定位光源并接收激光束以精确建立超声阵列。
2D激光雷达用于绘制患者的皮肤表面地形图;高帧率短波红外热像仪记录激光源和接收器在皮肤上的投影位置，提供构建超声图像所需的阵列参数。皮肤表面形貌映射和激光位置记录是使用雀斑等自然皮肤特征进行记录的。通过这种方式，可以建立一个固定的参考系，以便随着时间的推移执行精确的重复扫描。
NCLUS临床系统通过合成孔径处理生成全自动注册超声图像。该团队在一个凝胶基冰球上演示了这个系统，该冰球与控制超声波传播的人体组织（称为phantom）的机械特性相匹配。
该团队目前正在开发NCLUS，以支持野外军事应用。这些应用包括检测和表征器官内出血引起的危及生命的损伤；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;并提供截肢肢体区域的软组织和骨骼的弹性图像，以加速假肢插座的设计和安装。民用应用包括重症监护室的成像。
有了NCLUS，没有经过专业超声检查培训的紧急医疗技术人员、护理人员和医务人员可能能够在医院外——医生办公室、家中或偏远战场环境中进行超声成像。
“随着进一步发展，NCLUS有可能成为一项变革性技术：一种自动化的便携式超声平台，具有类似于MRI和CT的固定参考框架功能。”Samir说。
在NCLUS计划的下一阶段，该团队将使用可操作的皮肤安全激光进行临床研究，以评估超声图像并将其与传统医学超声图像进行比较。
信息源于：麻省理工学院
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