'內窺鏡時代結束了？專家說，新超聲波技術成為醫學成像的未來'

突破性研究展示了一種創新的成像技術，利用超聲波以無創的方式提供深度圖像。

內窺鏡檢查目前是醫學成像最常用的方法之一。它的用途包括診斷影響肺部、結腸、喉嚨和胃腸道的疾病。

在內窺鏡檢查過程中，醫學專業人員將一根長而細、光線強的管子和末端的一個小照相機插入一個小口，如口腔或外科醫生開的一個小口。

內窺鏡檢查是一種侵入性手術，儘管是微創手術。它們會造成不適，並不是沒有風險。內窺鏡的潛在副作用包括過度腫脹、抽筋、持續疼痛，甚至組織穿孔和輕微內出血。

現在，一項創新發現可能會徹底結束內窺鏡檢查。賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基梅隆大學電氣和計算機工程助理教授Maysam Chamanzar和同一部門的博士研究員Matteo Giuseppe Scopelliti設計了一種無創超聲成像技術，有望取代內窺鏡。

研究人員在《光：科學與應用》雜誌上詳細介紹了他們的新技術。

用虛擬鏡頭替換物理鏡頭

Chamanzar和Scopelliti在他們的論文中解釋說，生物組織是一種混濁（或密集和不透明）的介質，限制了光學方法的可能性。

具體來說，這種組織由大顆粒和薄膜構成，限制了光學成像的深度和分辨率，“尤其是在可見光和近紅外光譜範圍內”。

然而，這項新技術利用超聲波在人體內設計了一個“虛擬透鏡”，而不是植入一個實體透鏡。然後操作者可以通過“改變介質內部的超聲波壓力波”來調整鏡頭，這樣就可以用非侵入性的方法拍攝以前從未有過的深度圖像。

超聲波可以壓縮或稀缺其穿透的介質。光在壓縮介質中傳播更慢，在稀薄介質中傳播更快。

作者解釋說，他們能夠通過使用這種壓縮/稀疏效果來創建虛擬鏡頭：

“當超聲波通過介質傳播時，它們調製其密度，從而調節其局部折射率;介質在高壓區域被壓縮，導致更高的密度，而在局部密度的負壓區域則被稀釋。降低了。”

“結果，”他們寫道，“壓力駐波產生局部折射率對比度。”

此外，調整或重新配置來自外部的超聲波可以在介質內部移動透鏡，使其能夠移動到不同的區域並在不同的深度拍攝圖像。

Chamanzar說：“我們利用超聲波在給定的目標介質中雕刻出一個虛擬的光學中繼透鏡，例如，目標介質可以是生物組織。”因此，組織被轉變成一個透鏡，幫助我們捕捉和傳遞深層結構的圖像。”

研究人員進一步解釋了這項技術是如何工作的，以及為什麼它是一個漸進的步驟來可視化身體內部。

“我們的工作與傳統的聲光方法的不同之處在於，我們正在使用目標介質本身，它可以是生物組織，在光通過介質時影響光，”Chamanzar繼續說道。 “這種原位相互作用為抵消擾亂光線軌跡的[障礙]提供了機會。”

“醫學影像革命化”技術

這項新技術的一些應用包括腦成像、診斷皮膚狀況和識別不同器官的腫瘤。根據需要監測的區域，該方法可能涉及手持設備或皮膚貼片。

通過簡單地將其施用於皮膚表面，醫療保健專業人員可以獲得內部器官的圖像而沒有潛在的副作用和內窺鏡檢查的不愉快。

“能夠從大腦等器官傳遞圖像，而無需插入物理光學元件，將為在體內植入侵入性內窺鏡提供重要的替代方案。”

“這種方法可以徹底改變生物醫學成像領域，”他補充道。

“濁度介質一直被視為光學成像的障礙，”共同作者Scopelliti補充道。 “但我們已經證明，這種媒體可以轉化為盟友，以幫助光線達到預期的目標。”

“當我們以適當的模式激活超聲波時，混濁的介質會立即變得透明。考慮到這種方法對從生物醫學應用到計算機視覺的廣泛領域的潛在影響，這是令人興奮的。”