美國賓夕法尼亞州卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的研究人員開發(fā)了一種新穎的生物成像技術(shù)，利用超聲波結(jié)合光學(xué)處理，可以透過皮膚和肌肉等生物組織，非侵入性地對人體器官進行成像，或能消除使用內(nèi)窺鏡進行侵入性視覺檢查的需求。據(jù)Maysam Chamanzar和博士研究生Matteo Giuseppe Scopelliti表示，“換句話說，未來，我們就不需要利用內(nèi)窺鏡插入人體，到達胃部、大腦或任何其它器官進行成像檢查了。”

內(nèi)窺鏡成像，或使用直接插入人體器官的相機來檢查病癥，是目前常用于診斷人體內(nèi)部組織疾病的侵入性檢查方法。內(nèi)窺鏡成像儀，或?qū)Ч埽ɑ驅(qū)Ь€）末端的攝像機，通常需要通過醫(yī)療手段或手術(shù)植入，以便到達人體的深部組織，但Chamanzar及其團隊開發(fā)的新技術(shù)提供了一種完全非手術(shù)且非侵入性的替代方案。

根據(jù)該實驗室發(fā)表于Light：Science and Applications的論文顯示，超聲波可以在體內(nèi)創(chuàng)建一種“虛擬透鏡”，無需植入實物透鏡。通過使用特定的超聲波模型，研究人員可以有效地將光線聚焦在組織內(nèi)部，使他們能夠前所未有的通過無創(chuàng)手段拍攝體內(nèi)圖像。

研究人員證明，可以使用原位可重構(gòu)超聲干涉圖案在介質(zhì)中構(gòu)建虛擬光學(xué)漸變折射率（GRIN）透鏡，以通過介質(zhì)中繼圖像。超聲波模型改變介質(zhì)的局部密度以構(gòu)建垂直于光傳播方向的漸變折射率圖案，調(diào)制光的相位前沿，使其在介質(zhì)內(nèi)聚焦并有效地創(chuàng)建一個虛擬中繼透鏡。

增大組織“透明度”

生物組織會阻擋大部分的光，尤其是可見光范圍內(nèi)的光線。因此，目前的光學(xué)成像方法無法利用光從人體表面直接進入深部組織。不過，Chamanzar的實驗室利用非侵入性超聲波“提高了生物組織的透明度”，以便更多的光通過生物組織等混濁介質(zhì)進行體內(nèi)成像。

“能夠在無需插入物理光學(xué)元件的情況下對大腦等器官進行成像，為侵入性內(nèi)窺鏡提供了一種重要的替代方案，”Chamanzar說，“我們使用超聲波在給定的目標(biāo)介質(zhì)（例如各種生物組織）中構(gòu)建了一個虛擬光學(xué)中繼透鏡。因此，生物組織變成了一種透鏡，可以幫助我們捕捉更深層結(jié)構(gòu)的圖像。這種方案預(yù)計將徹底革新生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。”

超聲波能夠壓縮和稀薄它們傳播經(jīng)過的介質(zhì)。在壓縮區(qū)域，光傳播的速度比在稀薄區(qū)域慢。在本研究中，該團隊證明，這種壓縮和稀薄效應(yīng)可用于在目標(biāo)介質(zhì)中構(gòu)建虛擬透鏡以進行光學(xué)成像。僅通過從人體外部重新配置超聲波，就可以在不干擾介質(zhì)的情況下移動該虛擬透鏡。這使得研究人員能夠?qū)Σ煌哪繕?biāo)區(qū)域進行非侵入性成像。

（a）進行光學(xué)表征的設(shè)置示意圖；（b）脈沖激光被即時調(diào)制，以匹配饋送換能器正弦信號的正半周期；（c）超聲換能器關(guān)閉時激光束的實驗圖像和（d）開啟時的實驗圖像（fres = 832 kHz，V = 34 V）；（e）、（f）用于（c）和（d）實驗中相同頻率和電壓下的激光束光線跟蹤模擬。

廣闊的應(yīng)用前景

該論文發(fā)表的方案是一種平臺化技術(shù)，可用于許多不同的應(yīng)用。將來，根據(jù)需要被成像的器官，它可以以手持設(shè)備或可穿戴表面貼片的形式應(yīng)用。通過將裝置或貼片放置在皮膚上，臨床醫(yī)生可以便利地從組織內(nèi)接收光信號以創(chuàng)建內(nèi)部圖像，而無需內(nèi)窺鏡檢查所帶來的不適和副作用。

該技術(shù)目前最接近的應(yīng)用是腦組織的內(nèi)窺成像或皮下成像，當(dāng)然該技術(shù)也可以用于人體其他部位的成像。除了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之外，該技術(shù)還可以用于機器視覺、計量學(xué)和其他工業(yè)應(yīng)用中的光學(xué)成像，以實現(xiàn)非破壞性且可操縱的微米級物體和結(jié)構(gòu)成像。

研究人員表示，可以通過改變超聲波的參數(shù)來調(diào)制虛擬“透鏡”的特性，使用戶能夠通過該技術(shù)在介質(zhì)的不同深度進行“聚焦”圖像。盡管已發(fā)表的論文專注于該方法對更接近表面的應(yīng)用效果，但該團隊尚未發(fā)現(xiàn)這種超聲輔助光學(xué)成像方法可以達到的深度極限。

“我們的研究與傳統(tǒng)聲光方案的不同之處在于，我們利用了目標(biāo)介質(zhì)（可以是生物組織）本身，在光通過時影響光的傳播，”Chamanzar解釋說，“這種原位相互作用，有望抵消擾亂光線傳播的非理想情況。”

該技術(shù)具有許多潛在臨床應(yīng)用，例如皮膚病診斷、大腦活動監(jiān)測、以及惡性腫瘤的識別診斷和靶向和光動力療法等。

這項研究除了對臨床醫(yī)學(xué)的直接影響外，還具有間接的臨床應(yīng)用。利用這種聲光技術(shù)來監(jiān)測具有大腦疾病的小鼠的活動，并選擇性地刺激不同的神經(jīng)通路，研究人員能夠研究帕金森等疾病的相關(guān)機制，為下一代臨床治療的方案設(shè)計提供重要信息。

“渾濁介質(zhì)一直被認(rèn)為是光學(xué)成像的障礙，”Scopelliti說，“不過，我們已經(jīng)證明，這種障礙可以轉(zhuǎn)化為‘我們的幫手’，幫助光線到達理想的目標(biāo)。當(dāng)我們用適當(dāng)?shù)哪Ｊ郊せ畛暡〞r，混濁介質(zhì)會立即變得‘透明’。這種方案對從生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用到計算機視覺等廣泛領(lǐng)域的潛在影響著實令人興奮。”