Carnegie Mellon Universitys biträdande professor i el- och datateknik (ECE) Maysam Chamanzar och ECE Ph.D. studenten Matteo Giuseppe Scopelliti publicerade idag forskning som introducerar en ny teknik som använder ultraljud för att icke -invasivt ta optiska bilder genom ett grumligt medium som biologisk vävnad till bildkroppens organ. Denna nya metod har potential att eliminera behovet av invasiva visuella undersökningar med hjälp av endoskopiska kameror.

Med andra ord:en dag, räckvidden kanske inte längre behöver sättas in i kroppen, som i halsen eller under huden, att nå magen, hjärna, eller andra organ för undersökning.

Endoskopisk avbildning, eller med kameror insatta direkt i kroppens organ för att undersöka symtom, är ett invasivt förfarande som används för att undersöka och diagnostisera symtom på djupvävnadssjukdom. Endoskopiska avbildare, eller kameror på slutet av kateterrör eller ledningar, vanligtvis implanteras genom en medicinsk procedur eller operation för att nå kroppens djupa vävnader, men Chamanzars nya teknik ger ett helt icke-kirurgiskt och icke-invasivt alternativ.

Laboratoriets papper publicerades i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , en tidning publicerad av Springer Nature, visar att de kan använda ultraljud för att skapa en virtuell "lins" i kroppen, snarare än att implantera en fysisk lins. Genom att använda ultraljudsvågmönster, forskarna kan effektivt "fokusera" ljus i vävnaden, vilket gör att de kan ta bilder som aldrig tidigare varit tillgängliga via icke -invasiva medel.

Biologisk vävnad kan blockera det mesta ljuset, särskilt ljus i det optiska spektrets synliga område. Därför, nuvarande optiska avbildningsmetoder kan inte använda ljus för att komma åt djup vävnad från ytan. Chamanzars lab, dock, har använt icke -invasivt ultraljud för att framkalla mer transparens för att möjliggöra mer penetrering av ljus genom grumliga medier, såsom biologisk vävnad.

"Att kunna förmedla bilder från organ som hjärnan utan att behöva sätta in fysiska optiska komponenter kommer att vara ett viktigt alternativ till att implantera invasiva endoskop i kroppen, "säger Chamanzar." Vi använde ultraljudsvågor för att skulptera en virtuell optisk relälins inom ett givet målmedium, som till exempel, kan vara biologisk vävnad. Därför, vävnaden förvandlas till en lins som hjälper oss att fånga och vidarebefordra bilder av djupare strukturer. Denna metod kan revolutionera området för biomedicinsk bildbehandling. "

Ultraljudsvågor kan komprimera och sällsynta, eller tunn, vilket medium de strömmar igenom. I komprimerade regioner, ljuset går långsammare jämfört med sällsynta regioner. I det här pappret, teamet visar att denna komprimering och sällsynta effekt kan användas för att skulptera en virtuell lins i målmediet för optisk avbildning. Denna virtuella lins kan flyttas runt utan att störa mediet helt enkelt genom att omkonfigurera ultraljudsvågorna utifrån. Detta möjliggör avbildning av olika målregioner, allt icke -invasivt.

Den publicerade metoden är en plattformsteknik som kan tillämpas i många olika applikationer. I framtiden, det kan implementeras i form av en handhållen enhet eller bärbar ytlapp, beroende på vilket organ som avbildas. Genom att placera enheten eller plåstret på huden, klinikern skulle enkelt kunna ta emot optisk information inifrån vävnaden för att skapa bilder av vad som finns inuti utan endoskopis många obehag och biverkningar.

De närmaste applikationerna för denna teknik skulle vara endoskopisk avbildning av hjärnvävnad eller avbildning under huden, men denna teknik kan också användas i andra delar av kroppen för avbildning. Utöver biomedicinska tillämpningar, denna teknik kan användas för optisk avbildning vid maskinsyn, metrologi, och andra industriella tillämpningar för att möjliggöra icke-destruktiv och styrbar avbildning av objekt och strukturer i mikronskala.

Forskarna visade att egenskaperna hos den virtuella "linsen" kan justeras genom att ändra parametrarna för ultraljudsvågorna, tillåter användare att "fokusera" bilder tagna med metoden på olika djup genom mediet. Medan LSA papper är fokuserat på metodens effektivitet för applikationer som är närmare ytan, laget har ännu inte hittat gränsen för hur djupt i kroppens vävnad denna ultraljudassisterade optiska bildmetod kan nå.

"Det som skiljer vårt arbete från konventionella akusto-optiska metoder är att vi använder själva målmediet, som kan vara biologisk vävnad, att påverka ljuset när det sprider sig genom mediet, "förklarar Chamanzar." Denna in situ-interaktion ger möjligheter att motverka de icke-idealiteter som stör ljusets bana. "

Denna teknik har många potentiella kliniska tillämpningar, som att diagnostisera hudsjukdom, övervakning av hjärnaktivitet, och diagnos och fotodynamisk terapi för att identifiera och rikta maligna tumörer.

Förutom de direkta konsekvenserna denna forskning har för klinisk medicin, det kommer också att ha indirekta kliniska tillämpningar. Genom att använda denna akusto-optiska teknik för att se musmodeller av hjärnstörningar i aktion och selektivt stimulera olika neurala vägar, forskare skulle kunna studera mekanismerna som är involverade i sjukdomstillstånd som Parkinsons, informera om utformningen av nästa generations kliniska terapeutiska insatser för att behandla dessa sjukdomar hos människor.

"Grumliga medier har alltid ansetts vara hinder för optisk avbildning, "säger Scopelliti." Men vi har visat att sådana medier kan omvandlas till allierade för att hjälpa ljuset att nå önskat mål. När vi aktiverar ultraljud med rätt mönster, det grumliga mediet blir genast transparent. Det är spännande att tänka på hur denna metod kan påverka ett brett spektrum av områden, från biomedicinska applikationer till datorsyn. "