Ultralyd-assisteret optisk billeddannelse til erstatning af endoskopi ved banebrydende opdagelse

Carnegie Mellon Universitets adjunkt i elektroteknik og computerteknik (ECE) Maysam Chamanzar og ECE Ph.D. studerende Matteo Giuseppe Scopelliti offentliggjorde i dag forskning, der introducerer en ny teknik, der bruger ultralyd til ikke -invasivt at tage optiske billeder gennem et grumset medium som f.eks. biologisk væv til billedkroppens organer. Denne nye metode har potentialet til at eliminere behovet for invasive visuelle undersøgelser ved hjælp af endoskopiske kameraer.

Med andre ord:en dag, omfang skal muligvis ikke længere indsættes i kroppen, såsom ned i halsen eller under huden, at nå maven, hjerne, eller andre organer til undersøgelse.

Endoskopisk billeddannelse, eller ved hjælp af kameraer indsat direkte inde i kroppens organer for at undersøge symptomer, er en invasiv procedure, der bruges til at undersøge og diagnosticere symptomer på dybt vævs sygdom. Endoskopiske billedbehandlere, eller kameraer på enden af ​​kateterrør eller ledninger er normalt implanteret gennem en medicinsk procedure eller operation for at nå kroppens dybe væv, men Chamanzars nye teknik giver et helt ikke-kirurgisk og ikke-invasivt alternativ.

Laboratoriets papir udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , et tidsskrift udgivet af Springer Nature, viser, at de kan bruge ultralyd til at skabe en virtuel "linse" i kroppen, frem for at implantere en fysisk linse. Ved at bruge ultralydsbølgemønstre, forskerne kan effektivt "fokusere" lys i vævet, som gør det muligt for dem at tage billeder, der aldrig før er tilgængelige via ikke -invasive midler.

Biologisk væv er i stand til at blokere det meste lys, især lys i det synlige område af det optiske spektrum. Derfor, nuværende optiske billeddannelsesmetoder kan ikke bruge lys til at få adgang til dybt væv fra overfladen. Chamanzars laboratorium, imidlertid, har brugt ikke -invasiv ultralyd til at fremkalde mere gennemsigtighed for at muliggøre mere penetration af lys gennem grumsede medier, såsom biologisk væv.

"At kunne videresende billeder fra organer såsom hjernen uden at skulle indsætte fysiske optiske komponenter vil være et vigtigt alternativ til at implantere invasive endoskoper i kroppen, "siger Chamanzar." Vi brugte ultralydsbølger til at forme et virtuelt optisk relæobjektiv inden for et givet målmedium, som f.eks. kan være biologisk væv. Derfor, vævet bliver til en linse, der hjælper os med at fange og videresende billeder af dybere strukturer. Denne metode kan revolutionere feltet biomedicinsk billeddannelse. "

Ultralydbølger er i stand til at komprimere og sjældne, eller tynd, uanset hvilket medium de flyder igennem. I komprimerede områder, lys bevæger sig langsommere i forhold til sjældne områder. I denne avis, teamet viser, at denne komprimering og rarefikationseffekt kan bruges til at forme en virtuel linse i målmediet til optisk billeddannelse. Denne virtuelle linse kan flyttes rundt uden at forstyrre mediet ved blot at omkonfigurere ultralydsbølgerne udefra. Dette muliggør billeddannelse af forskellige målområder, alt ikke -invasivt.

Den publicerede metode er en platformteknologi, der kan anvendes i mange forskellige applikationer. I fremtiden, det kan implementeres i form af en håndholdt enhed eller bærbar overfladeplaster, afhængigt af det organ, der skal afbildes. Ved at placere enheden eller plasteret på huden, klinikeren ville let kunne modtage optisk information inde fra vævet for at skabe billeder af, hvad der er indeni uden endoskopis mange ubehageligheder og bivirkninger.

De nærmeste aktuelle applikationer til denne teknologi ville være endoskopisk billeddannelse af hjernevæv eller billeddannelse under huden, men denne teknik kan også bruges i andre dele af kroppen til billeddannelse. Ud over biomedicinske anvendelser, denne teknik kan bruges til optisk billeddannelse i maskinsyn, metrologi, og andre industrielle applikationer for at muliggøre ikke-destruktiv og styrbar billeddannelse af objekter og strukturer i mikronskalaen.

Forskerne viste, at egenskaberne ved den virtuelle "linse" kan indstilles ved at ændre parametrene for ultralydsbølgerne, giver brugerne mulighed for at "fokusere" billeder taget ved hjælp af metoden på forskellige dybder gennem mediet. Mens LSA papir er fokuseret på metodens effektivitet til applikationer tættere på overfladen, teamet har endnu ikke fundet grænsen for, hvor dybt inde i kroppens væv denne ultralydassisterede optiske billeddannelsesmetode kan nå.

"Det, der adskiller vores arbejde fra konventionelle akusto-optiske metoder, er, at vi bruger selve målmediet, som kan være biologisk væv, at påvirke lyset, når det formerer sig gennem mediet, "forklarer Chamanzar." Denne in situ-interaktion giver muligheder for at opveje de ikke-idealiteter, der forstyrrer lysets bane. "

Denne teknik har mange potentielle kliniske anvendelser, såsom diagnosticering af hudsygdom, overvågning af hjernens aktivitet, og diagnose og fotodynamisk terapi til at identificere og målrette maligne tumorer.

Ud over de direkte konsekvenser, denne forskning har på klinisk medicin, det vil også have indirekte kliniske anvendelser. Ved at bruge denne akusto-optiske teknologi til at se musemodeller af hjerneforstyrrelser i aktion og selektivt stimulere forskellige neurale veje, forskere ville være i stand til at studere de mekanismer, der er involveret i sygdomstilstande som Parkinsons, informere om udformningen af ​​næste generations kliniske terapeutiske interventioner til behandling af disse sygdomme hos mennesker.

"Uklare medier er altid blevet betragtet som forhindringer for optisk billeddannelse, "siger Scopelliti." Men vi har vist, at sådanne medier kan konverteres til allierede for at hjælpe lyset med at nå det ønskede mål. Når vi aktiverer ultralyd med det korrekte mønster, det grumsede medium bliver umiddelbart gennemsigtigt. Det er spændende at tænke på den mulige indvirkning af denne metode på en lang række områder, fra biomedicinske applikationer til computersyn. "