Alsidigt ultralydssystem kan ændre, hvordan læger bruger medicinsk billeddannelse

Selvom ultralyd er et af de mest almindelige medicinske billeddannelsesværktøjer, konventionelle elektroniske ultralydsenheder har en tendens til at være omfangsrige og kan ikke bruges samtidig med nogle andre billeddannelsesteknologier. Et nyt ultralydssystem, der bruger optisk, i stedet for elektroniske komponenter, kunne forbedre ydeevnen og samtidig give læger betydeligt mere fleksibilitet i, hvordan de bruger ultralyd til at diagnosticere og behandle medicinske problemer.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Biomedicinsk optik Express , forskere demonstrerer for første gang brugen af ​​et optisk ultralydsbillede til videofrekvens, real-time 2-D billeddannelse af biologisk væv. Præstationen er et vigtigt skridt i retning af at gøre altoptisk ultralyd praktisk til rutinemæssig klinisk brug.

Fordi de ikke kræver elektroniske komponenter i billeddannelsessonden, alle optiske ultralydssystemer kan sikkert bruges samtidigt med magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) scannere. Dette ville give læger et mere omfattende billede af vævene omkring et interesseområde, såsom en tumor eller blodkar.

"Alle optiske ultralydsbilledprober har potentiale til at revolutionere billedstyrede indgreb, "sagde Erwin J. Alles, University College London, Det Forenede Kongerige. "Mangel på elektronik og den resulterende MRI -kompatibilitet giver mulighed for ægte multimodalitetsbillede, med sonder, der muligvis kun er en brøkdel af omkostningerne ved konventionelle elektroniske modparter. "

Lightbeam -scanningsspejle indbygget i enheden øger billedkvaliteten og gør det muligt at erhverve billeder i forskellige tilstande. I kliniske rammer, dette ville give læger mulighed for hurtigt at skifte mellem tilstande på et enkelt instrument, der passer til den aktuelle opgave. At erhverve forskellige typer billeder ved hjælp af konventionelle ultralydssystemer kræver typisk separate specialiserede sonder.

"Fleksibiliteten, som scanningspejlene giver, giver mulighed for problemfri skift mellem 2-D og 3-D-billeddannelse, samt en dynamisk justerbar afvejning mellem billedopløsning og penetrationsdybde, uden at skulle skifte billeddannelsesprobe, "sagde Alles." Især i et minimalt invasivt interventionelt miljø, at bytte billeddannelsesprober er meget forstyrrende, forlænger proceduretider og introducerer risici for patienten. "

Fjernelse af elektronik

Konventionelle ultralydsbilder anvender arrays af elektroniske transducere til at transmittere højfrekvente lydbølger ind i væv og modtage refleksioner. En computer konstruerer derefter billeder af vævet.

Derimod, alle optiske ultralydsbilder bruger lys til både at sende og modtage ultralydsbølger. Pulseret laserlys bruges til at generere ultralydsbølger, og scanningsspejle styrer, hvor bølgerne overføres til vævet. En fiberoptisk sensor modtager de reflekterede bølger.

De elektroniske komponenter i konventionelle ultralydsenheder gør dem svære at miniaturisere til intern brug, så de fleste eksisterende ultralydsenheder er store, håndholdte prober, der placeres mod huden. Mens nogle minimalt invasive ultralydssonder i høj opløsning er blevet udviklet, de er for dyre til rutinemæssig klinisk brug. Optiske komponenter miniaturiseres let, og små all-optiske ultralydssonder vil sandsynligvis være betydeligt billigere at fremstille end kompakte elektroniske ultralydssystemer, siger forskere.

Fremskynder billedbehandling

For at generere billeder, et altoptisk ultralydssystem skal indsamle data fra flere optiske kildeplaceringer, kombinere dem sammen og derefter oprette en visualisering, der rekonstruerer det område, der skal afbildes.

Forskere har tidligere demonstreret at bruge altoptisk ultralyd til at generere 2-D og 3-D billeder i høj kvalitet, men at tage billederne tog timer, gør disse enheder for langsomme til at blive brugt i kliniske omgivelser. Den nye demonstration er den første til at erhverve og vise billeder med altoptisk ultralyd ved videorater.

"Gennem kombinationen af ​​et nyt billeddannelsesparadigme, nye materialer til optisk ultralyd, optimerede ultralydskildegeometrier og en meget følsom fiberoptisk ultralydsdetektor, vi opnåede billedramphastigheder, der var op til tre størrelsesordener hurtigere end den nuværende state-of-the-art, "sagde Alles.

Et medicinsk multiværktøj

Optiske ultralydssystemer er iboende mere alsidige end deres elektroniske modstykker, fordi de kan producere lyd med en meget større båndbredde. Alles og kolleger demonstrerede, hvordan lyskilden kan manipuleres til at generere enten lavfrekvent ultralyd, hvilket resulterer i større penetration i vævet, eller højfrekvent ultralyd, som tilbyder billeder med højere opløsning på en lavere dybde.

Holdet testede deres prototypesystem ved at afbilde en afdød zebrafisk, samt en grisarterie, som de manipulerede for at efterligne dynamikken i pulserende blod. Demonstrationen viste billeddannelsesegenskaber, der kan sammenlignes med et elektronisk højfrekvent ultralydssystem, med en vedvarende billedhastighed på 15 Hertz, et dynamisk område på 30 decibel, en penetrationsdybde på 6 millimeter og en opløsning på 75 x 100 mikrometer.

For at tilpasse teknologien til klinisk brug, forskerne arbejder på at udvikle en lang, fleksibel billeddannelsessonde til frihåndsbetjening, samt miniaturiserede versioner til endoskopiske applikationer.