Для большинства людей получение ультразвука является относительно простой процедурой: когда лаборант осторожно прижимает датчик к коже пациента, звуковые волны, генерируемые датчиком, проходят через кожу, отражаясь от мышц, жира и других мягких тканей, прежде чем вернуться обратно к коже. зонд, который обнаруживает и переводит волны в изображение того, что находится под ними.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института придумали альтернативу обычному ультразвуку, который не требует контакта с телом, чтобы заглянуть внутрь пациента. В новом лазерном ультразвуковом методе используется безопасная для глаз и кожи лазерная система для удаленного изображения внутренних органов человека. При обучении на коже пациента один лазер дистанционно генерирует звуковые волны , которые отражаются от тела. Второй лазер дистанционно обнаруживает отраженные волны, которые исследователи затем переводят в изображение, подобное обычному ультразвуку.
В статье, опубликованной сегодня журналом Nature в журнале Light: Science and Applications , команда сообщает о создании первых лазерных ультразвуковых изображений человека. Исследователи просканировали предплечья нескольких добровольцев и обнаружили общие особенности тканей, такие как мышцы, жир и кости, примерно на 6 сантиметров ниже уровня кожи. Эти изображения, сравнимые с обычным ультразвуком, были получены с помощью дистанционных лазеров, направленных на добровольца с расстояния в полметра.
«Мы находимся в начале того, что мы могли бы сделать с помощью лазерного ультразвука», — говорит Брайан В. Энтони, главный научный сотрудник Департамента машиностроения Массачусетского технологического института и Института медицинской инженерии и науки (IMES), старший автор статьи. . «Представьте, что мы подошли к моменту, когда мы можем делать все то же, что ультразвук, но на расстоянии. Это дает вам совершенно новый способ видеть органы внутри тела и определять свойства глубоких тканей, не вступая в контакт с пациентом».
В последние годы исследователи изучили лазерные методы ультразвукового возбуждения в области, известной как фотоакустика. Вместо того, чтобы напрямую посылать звуковые волны в тело, идея состоит в том, чтобы посылать свет в виде импульсного лазера, настроенного на определенную длину волны, который проникает в кожу и поглощается кровеносными сосудами.
Кровеносные сосуды быстро расширяются и расслабляются — мгновенно нагреваются лазерным импульсом, а затем быстро охлаждаются телом до исходного размера — только для того, чтобы снова поразиться другим световым импульсом. Возникающие в результате механические вибрации генерируют звуковые волны, которые распространяются обратно вверх, где они могут быть обнаружены датчиками, размещенными на коже, и преобразованы в фотоакустическое изображение.
В то время как фотоакустика использует лазеры для дистанционного зондирования внутренних структур, этот метод по-прежнему требует детектора, находящегося в прямом контакте с телом, чтобы улавливать звуковые волны. Более того, свет может проникнуть в кожу только на небольшое расстояние, прежде чем исчезнуть. В результате другие исследователи использовали фотоакустику для изображения кровеносных сосудов непосредственно под кожей, но не намного глубже.
Поскольку звуковые волны проникают в тело дальше, чем свет, Чжан, Энтони и их коллеги искали способ преобразовать свет лазерного луча в звуковые волны на поверхности кожи, чтобы получить изображение глубже в теле.
Основываясь на своих исследованиях, команда выбрала лазеры с длиной волны 1550 нанометров, длина волны которых сильно поглощается водой (и безопасна для глаз и кожи с большим запасом прочности). Поскольку кожа в основном состоит из воды, команда пришла к выводу, что она должна эффективно поглощать этот свет, нагреваться и расширяться в ответ. Когда кожа возвращается в нормальное состояние, она сама должна производить звуковые волны, которые распространяются по всему телу.
Исследователи проверили эту идею с помощью лазерной установки, используя один импульсный лазер, настроенный на 1550 нанометров, для генерации звуковых волн, а второй непрерывный лазер, настроенный на ту же длину волны, для дистанционного обнаружения отраженных звуковых волн. Этот второй лазер представляет собой чувствительный детектор движения, который измеряет вибрации на поверхности кожи, вызванные звуковыми волнами, отражающимися от мышц, жира и других тканей. Движение поверхности кожи, создаваемое отраженными звуковыми волнами, вызывает изменение частоты лазера, которое можно измерить. Механически сканируя тело лазерами, ученые могут собирать данные в разных местах и создавать изображение региона.
Исследователи впервые использовали новую установку для изображения металлических объектов, встроенных в желатиновую форму, примерно напоминающую содержание воды в коже. Они визуализировали один и тот же желатин с помощью коммерческого ультразвукового датчика и обнаружили, что оба изображения воодушевляюще похожи. Они перешли к изображению вырезанной ткани животного — в данном случае кожи свиньи — где они обнаружили, что лазерный ультразвук может различать более тонкие черты, такие как граница между мышцами, жиром и костями.
Наконец, команда провела первые эксперименты с лазерным ультразвуком на людях, используя протокол, одобренный Комитетом Массачусетского технологического института по использованию людей в качестве экспериментальных объектов. После сканирования предплечий нескольких здоровых добровольцев исследователи получили первые полностью бесконтактные ультразвуковые изображения человека с помощью лазера. Границы жира, мышц и тканей четко видны и сопоставимы с изображениями, полученными с помощью коммерческих контактных ультразвуковых датчиков.
Исследователи планируют усовершенствовать свою технику и ищут способы повысить производительность системы, позволяющую различать мелкие детали в тканях. Они также стремятся улучшить возможности детекторного лазера. В дальнейшем они надеются миниатюризировать лазерную установку, чтобы однажды лазерный ультразвук можно было использовать в качестве портативного устройства.
Источник: https://phys.org/