超聲波光學成像，隔物拍物，將取代內窺鏡的突破性發現！卡耐基梅隆大學電子與計算機工程(ECE)助理教授Maysam Chamanzar和ECE博士生Matteo Giuseppe Scopelliti現在發表了一項新研究，該研究介紹了一種新技術，利用超聲波通過生物組織等渾濁的介質無創地拍攝光學圖像，以成像人體器官。這種新方法有潛力消除取代使用內鏡攝像機進行侵入性視覺檢查的需要。換句話說：有一天，顯微鏡可能不再需要插入身體。
比如喉嚨或皮膚下，以到達胃、大腦或任何其他器官進行檢查。內窺鏡成像，或使用直接插入人體器官內的攝像機來調查癥狀，是一種用于檢查和診斷深部組織疾病癥狀的侵入性程序。內窺鏡成象儀，或導管或導線末端的照相機，通常是通過醫療程序或手術植入體內，以達到人體深層組織，但新技術提供了一種完全非手術和非侵入性的替代方法。該實驗室發表在《光:科學與應用》期刊上的研究論文表明，可以利用超聲波在體內制造一個虛擬的“透鏡”，而不是植入一個物理透鏡。
通過使用超聲波模式，研究人員可以有效地“聚焦”組織內的光，這使科學家們能夠拍攝以前從未通過非侵入性手段獲得的圖像。生物組織能夠阻擋大部分的光，特別是在可見光譜范圍內的光。因此，目前的光學成像方法不能利用光從表面進入深層組織。然而，Chamanzar的實驗室已經使用非侵入性超聲波來誘導更大的透明度，從而使更多光線穿透渾濁的介質，如生物組織。Chamanzar說：能夠在不需要插入物理光學設備的情況下，傳輸來自大腦等器官的圖像。
將為在體內植入侵入性內窺鏡提供一個重要的替代方案。使用超聲波在特定的目標介質中塑造了一個虛擬光學中繼透鏡，例如，可以是生物組織。因此，組織被轉化成一個透鏡，幫助捕捉和傳遞更深層次結構的圖像，這種方法可以徹底改變生物醫學成像領域。超聲波能夠壓縮、稀薄或變薄，無論它們流經何種介質。在壓縮區域，光的傳播速度比稀薄區域要慢。在新研究論文中，研究小組表明，這種壓縮和稀薄效應可以用于在光學成像的目標介質中塑造虛擬透鏡。
這種虛擬透鏡可以在不干擾介質的情況下移動，只需從外部重新配置超聲波即可，這使得成像不同的目標區域，所有非侵入性。發布的方法是一種平臺技術，可以應用于許多不同的應用。在未來，可以以手持設備或可穿戴表面貼片的形式實現，這取決于被成像的器官。通過將該設備或貼片貼在皮膚上，臨床醫生可以很容易地接收到組織內部的光學信息，從而創建內部的圖像，而無需內鏡帶來的諸多不適和副作用。目前這項技術最接近的應用是內窺鏡成像腦組織或皮下成像。
但這項技術也可以用于身體的其他部位成像，除了生物醫學應用之外，該技術還可用于機器視覺、計量學和其他工業應用中的光學成像，以實現對物體和結構的微米級無損和可控成像。研究人員表示，虛擬“透鏡”的特性可以通過改變超聲波參數來調整，可使用戶通過介質在不同深度“聚焦”圖像。雖然LSA研究關注的是這種方法在更接近表面應用中的有效性，但研究團隊還沒有找到這種超聲輔助光學成像方法在人體組織內部能夠達到的深度極限。
Chamanzar說：我們的研究與傳統聲光方法的不同之處在于，使用的是目標介質本身，它可以是生物組織，當光在介質中傳播時，它會影響光。這種原位相互作用提供了平衡非理想干擾光的軌跡的機會。該技術有許多潛在的臨床應用，如診斷皮膚病、監測腦活動、診斷和光動力療法，以識別和靶向惡性腫瘤。這項研究除了對臨床醫學具有直接意義外，還將具有間接的臨床應用。
博科園｜研究/來自：卡內基梅隆大學
參考期刊《光：科學與應用》《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-018-07856-w
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