För de flesta, att göra ultraljud är ett relativt enkelt förfarande:När en tekniker försiktigt trycker en sond mot en patients hud, ljudvågor som genereras av sonden färdas genom huden, studsar av muskler, fett, och andra mjuka vävnader innan de reflekterar tillbaka till sonden, som detekterar och översätter vågorna till en bild av det som ligger under.

Konventionell ultraljud utsätter inte patienter för skadlig strålning som röntgen- och CT-skannrar gör, och det är i allmänhet icke -invasivt. Men det kräver kontakt med en patients kropp, och som sådan, kan vara begränsande i situationer där kliniker kanske vill avbilda patienter som inte tål sonden bra, som spädbarn, bränna offer, eller andra patienter med känslig hud. Vidare, ultraljudssondkontakt inducerar signifikant bildvariation, vilket är en stor utmaning vid modern ultraljudsavbildning.

Nu, MIT -ingenjörer har kommit på ett alternativ till konventionellt ultraljud som inte kräver kontakt med kroppen för att se inuti en patient. Den nya laser ultraljudstekniken utnyttjar ett ögon- och hudsäkert lasersystem för att fjärrbilda insidan av en person. När den tränas på en patients hud, en laser genererar på distans ljudvågor som studsar genom kroppen. En andra laser detekterar de reflekterade vågorna på distans, som forskare sedan översätter till en bild som liknar konventionellt ultraljud.

I ett papper publicerat idag av Natur i tidningen Ljus:Vetenskap och tillämpningar , teamet rapporterar att de första laser ultraljudsbilderna på människor genereras. Forskarna skannade underarmarna på flera volontärer och observerade vanliga vävnadsdrag som muskler, fett, och ben, ner till cirka 6 centimeter under huden. Dessa bilder, jämförbar med konventionellt ultraljud, producerades med hjälp av fjärrlasrar fokuserade på en volontär från en halv meter bort.

"Vi är i början av vad vi kan göra med laser ultraljud, "säger Brian W. Anthony, en huvudforskare vid MIT:s avdelning för maskinteknik och Institute for Medical Engineering and Science (IMES), en författare på tidningen. "Tänk att vi kommer till en punkt där vi kan göra allt ultraljud kan göra nu, men på avstånd. Detta ger dig ett helt nytt sätt att se organ inuti kroppen och bestämma egenskaper hos djup vävnad, utan att ta kontakt med patienten. "

Anthony medförfattare på tidningen är huvudförfattare och MIT postdoc Xiang (Shawn) Zhang, nyligen doktorand Jonathan Fincke, tillsammans med Charles Wynn, Matthew Johnson, och Robert Haupt från MIT:s Lincoln Laboratory.

Skrek in i en kanjon - med en ficklampa

Under de senaste åren har forskare har undersökt laserbaserade metoder för ultraljudsexcitation inom ett område som kallas fotoakustik. Istället för att direkt skicka ljudvågor in i kroppen, tanken är att skicka in ljus, i form av en pulserad laser inställd på en viss våglängd, som tränger in i huden och absorberas av blodkärlen.

Blodkärlen expanderar snabbt och slappnar av - omedelbart uppvärmda av en laserpuls och sedan snabbt kyls av kroppen tillbaka till sin ursprungliga storlek - bara för att träffas igen av en annan ljuspuls. De resulterande mekaniska vibrationerna genererar ljudvågor som reser tillbaka, där de kan detekteras av transduktorer placerade på huden och översättas till en fotoakustisk bild.

Medan fotoakustik använder lasrar för att fjärrproba interna strukturer, tekniken kräver fortfarande en detektor i direkt kontakt med kroppen för att fånga upp ljudvågorna. Vad mer, ljus kan bara resa en kort bit in i huden innan det försvinner. Som ett resultat, andra forskare har använt fotoakustik för att avbilda blodkärl precis under huden, men inte mycket djupare.

Eftersom ljudvågor färdas längre in i kroppen än ljus, Zhang, Anthony, och deras kollegor letade efter ett sätt att omvandla en laserstrålas ljus till ljudvågor vid hudytan, för att bilda djupare i kroppen.

Baserat på deras forskning, laget valde 1, 550-nanometer lasrar, en våglängd som absorberas starkt av vatten (och är ögon- och hudskyddad med en stor säkerhetsmarginal). Eftersom huden i huvudsak består av vatten, laget resonerade att det effektivt skulle absorbera detta ljus, och värma upp och expandera som svar. När det svänger tillbaka till sitt normala tillstånd, själva huden ska producera ljudvågor som sprider sig genom kroppen.

Forskarna testade denna idé med en laserinställning, med en pulserad lasersats på 1, 550 nanometer för att generera ljudvågor, och en andra kontinuerlig laser, inställd på samma våglängd, att på distans detektera reflekterade ljudvågor. Denna andra laser är en känslig rörelsedetektor som mäter vibrationer på hudytan orsakade av ljudvågorna som studsar från muskler, fett, och andra vävnader. Hudrörelser, genereras av de reflekterade ljudvågorna, orsakar en förändring i laserns frekvens, som kan mätas. Genom att mekaniskt skanna lasrarna över kroppen, forskare kan skaffa data på olika platser och skapa en bild av regionen.

"Det är som att vi hela tiden skriker in i Grand Canyon medan vi går längs väggen och lyssnar på olika platser, "Säger Anthony." Då får du tillräckligt med data för att räkna ut geometrin för alla saker inuti som vågorna studsade mot - och skrekningen görs med en ficklampa. "

In-home imaging

Forskarna använde först den nya installationen för att avbilda metallföremål inbäddade i en gelatinform som ungefär liknar hudens vatteninnehåll. De avbildade samma gelatin med en kommersiell ultraljudssond och fann att båda bilderna var uppmuntrande lika. De gick vidare till bildskuren djurvävnad - i det här fallet grishud - där de hittade laser -ultraljud kunde särskilja subtilare funktioner, såsom gränsen mellan muskler, fett, och ben.

Till sist, laget genomförde de första laser -ultraljudsexperimenten på människor, med hjälp av ett protokoll som godkändes av MIT -kommittén för användning av människor som experimentella ämnen. Efter att ha skannat underarmarna hos flera friska frivilliga, forskarna tog fram de första helt ultrakontakta laser -ultraljudsbilderna av en människa. Fettet, muskel, och vävnadsgränser är tydligt synliga och jämförbara med bilder som genereras med kommersiella, kontaktbaserade ultraljudssonder.

Forskarna planerar att förbättra sin teknik, och de letar efter sätt att öka systemets prestanda för att lösa fina funktioner i vävnaden. De vill också finslipa detektionslaserns möjligheter. Längre ner på vägen, de hoppas att miniatyrisera laseruppsättningen, så att laser -ultraljud en dag kan användas som en bärbar enhet.

"Jag kan tänka mig ett scenario där du kan göra detta i hemmet, "Säger Anthony." När jag står upp på morgonen, Jag kan få en bild av min sköldkörtel eller artärer, och kan ha hemma fysiologisk avbildning inuti min kropp. Du kan tänka dig att använda detta i den omgivande miljön för att få en förståelse för ditt interna tillstånd. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.