Medan ultraljud är ett av de vanligaste medicinska bildverktygen, konventionella elektroniska ultraljudsenheter tenderar att vara skrymmande och kan inte användas samtidigt som vissa andra bildtekniker. Ett nytt ultraljudssystem som använder optiska, istället för elektroniska komponenter, kan förbättra prestanda och samtidigt ge läkare betydligt mer flexibilitet i hur de använder ultraljud för att diagnostisera och behandla medicinska problem.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Biomedicinsk optik Express , forskare visar för första gången användningen av en helt optisk ultraljudsavbildare för videohastighet, realtids 2-D avbildning av biologisk vävnad. Prestationen är ett viktigt steg mot att göra alloptisk ultraljud praktisk för rutinmässig klinisk användning.

Eftersom de inte kräver några elektroniska komponenter i bildproben, alla optiska ultraljudssystem kan användas säkert samtidigt som magnetresonansavbildning (MRI) skannrar. Detta skulle ge läkare en mer omfattande bild av vävnaderna runt ett intresseområde, såsom en tumör eller blodkärl.

"Heloptiska ultraljudsavkänningssonder har potential att revolutionera bildstyrda ingrepp, "sade Erwin J. Alles, University College London, Storbritannien. "Brist på elektronik och den resulterande MRI -kompatibiliteten kommer att möjliggöra äkta multimodalitetsbildguide, med prober som potentiellt bara är en bråkdel av kostnaden för konventionella elektroniska motsvarigheter. "

Lightbeam -skanningsspeglar inbyggda i enheten ökar bildkvaliteten och gör det möjligt att skaffa bilder i olika lägen. I en klinisk miljö, detta skulle göra det möjligt för läkare att snabbt växla mellan lägen på ett enda instrument för att passa den aktuella uppgiften. Att skaffa olika typer av bilder med konventionella ultraljudssystem kräver vanligtvis separata specialiserade sonder.

"Flexibiliteten från skanningsspeglarna möjliggör sömlös växling mellan 2-D och 3-D-avbildning, samt en dynamiskt justerbar avvägning mellan bildupplösning och penetrationsdjup, utan att behöva byta bildsond, "sade Alles." Särskilt i en minimalt invasiv interventionell miljö, att byta bildprober är mycket störande, förlänger behandlingstiderna och introducerar risker för patienten. "

Eliminera elektronik

Konventionella ultraljudsbildare använder matriser av elektroniska givare för att överföra högfrekventa ljudvågor till vävnad och ta emot reflektionerna. En dator konstruerar sedan bilder av vävnaden.

Däremot, alla optiska ultraljudsbildare använder ljus för att både sända och ta emot ultraljudsvågor. Pulserat laserljus används för att generera ultraljudsvågor, och avsökningsspeglar styr var vågorna överförs till vävnaden. En fiberoptisk sensor tar emot de reflekterade vågorna.

De elektroniska komponenterna i konventionella ultraljudsenheter gör dem svåra att miniatyrisera för internt bruk, så de flesta befintliga ultraljudsenheter är stora, handhållna sonder som placeras mot huden. Medan några högupplösta minimalt invasiva ultraljudssonder har utvecklats, de är för dyra för rutinmässig klinisk användning. Optiska komponenter miniatyriseras enkelt och små heloptiska ultraljudssonder skulle sannolikt vara betydligt billigare att tillverka än kompakta elektroniska ultraljudssystem, säger forskare.

Påskyndar bildbehandling

För att skapa bilder, ett helt optiskt ultraljudssystem måste hämta data från flera optiska källplatser, kombinera dem tillsammans och skapa sedan en visualisering som rekonstruerar området som avbildas.

Forskare har tidigare visat att de använder optiskt ultraljud för att generera högkvalitativa 2-D- och 3-D-bilder, men att ta bilderna tog timmar, vilket gör dessa enheter för långsamma för att användas i klinisk miljö. Den nya demonstrationen är den första som förvärvar och visar bilder med heloptiskt ultraljud med videorate.

"Genom kombinationen av ett nytt bildparadigm, nya material för optisk ultraljud, optimerade ultraljudskällgeometrier och en mycket känslig fiberoptisk ultraljudsdetektor, vi uppnådde bildramfrekvenser som var upp till tre storleksordningar snabbare än den nuvarande toppmoderna, "sa Alles.

Ett medicinskt multiverktyg

Optiska ultraljudssystem är i sig mer mångsidiga än deras elektroniska motsvarigheter eftersom de kan producera ljud med en mycket större bandbredd. Alles och kollegor demonstrerade hur ljuskällan kan manipuleras för att generera antingen lågfrekvent ultraljud, vilket resulterar i större penetration i vävnaden, eller högfrekvent ultraljud, som erbjuder bilder med högre upplösning på ett grundare djup.

Teamet testade sitt prototypsystem genom att avbilda en avliden zebrafisk, samt en grisartär som de manipulerade för att efterlikna dynamiken i pulserande blod. Demonstrationen visade bildfunktioner som är jämförbara med ett elektroniskt högfrekvent ultraljudssystem, med en ihållande bildhastighet på 15 Hertz, ett dynamiskt område på 30 decibel, ett penetrationsdjup på 6 millimeter och en upplösning på 75 x 100 mikrometer.

För att anpassa tekniken för klinisk användning, forskarna arbetar med att utveckla en lång, flexibel bildsond för frihandsdrift, samt miniatyriserade versioner för endoskopiska applikationer.