新的成像技術:科學家可以完全無創地獲取腦組織的圖像

突破性的研究展示了一種創新的成像技術，它使用超聲波以非侵入性的方式提供深度圖像。內鏡檢查是目前最常見的醫學成像方法之一。它的用途包括診斷影響肺部、結腸、咽喉和胃腸道的疾病。

在內鏡檢查醫療專業人員把一個長而細的管子，在末端放一個小照相機，插入一個小開口裡，比如外科醫生做的一個小口或一個小切口。

內鏡檢查是一種侵入性的手術，儘管是最小的。它們可能造成不適，而且並非沒有風險。電勢副作用內窺鏡檢查包括過度鎮靜，抽筋，持續疼痛，甚至組織穿孔和輕微內出血。

現在，一項創新的發現可能徹底結束內窺鏡檢查。賓夕法尼亞州匹茲堡的卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)電氣和計算機工程助理教授梅薩姆·查曼扎爾(Maysam Chamanzar)和同一系的博士研究員馬特奧·朱塞佩·斯科佩利蒂(Matteo Giuseppe Scopelliti)超聲有望取代內窺鏡的成像技術。

用虛擬透鏡代替物理透鏡

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

具體來說，組織是由大顆粒和膜構成的，限制了光學圖像的深度和解析度，「特別是在可見光和近紅外光譜範圍內」。

然而，這項新技術使用超聲波在人體內設計「虛擬透鏡」，而不是插入物理透鏡。然後，操作人員可以通過「改變介質中的超聲波壓力波」來調整透鏡，作者寫到，因此可以用非侵入性的方法拍攝以前從未接觸到的深度圖像。

超聲波可以壓縮或稀薄它們穿透的介質。光在壓縮的介質中傳播得更慢，在稀薄的介質中傳播得更快。

作者解釋說，通過使用這種壓縮/稀疏效應，他們能夠創建虛擬透鏡：

當超聲波在介質中傳播時，它們調節了介質的密度，從而調節了介質的局部折射率；介質在高壓區域被壓縮，從而產生較高的密度，而在局部密度降低的負壓區域，則變得稀薄。

「因此，」他們寫道，「壓力駐波造成了局部折射率對比。」

此外，從外部調整或重新配置超聲波，可以使透鏡在介質內部移動，使其能夠傳播到不同的區域，並在不同的深度拍攝圖像。

Chamanzar說：「我們用超聲波在給定的目標介質中雕刻了一個虛擬的光學中繼透鏡，例如，它可以是生物組織。」「因此，組織變成一個透鏡，幫助我們捕捉和傳遞更深層次結構的圖像。」

研究人員進一步解釋了這項技術是如何工作的，以及為什麼它是在身體內視覺化的一個漸進步驟。

「我們的工作與傳統的聲光方法的不同之處在於，我們使用的是目標介質本身，它可以是生物組織，當它通過介質傳播時，它會影響光，」Chamanzar繼續說。「這種原位的相互作用提供了平衡干擾光軌道的[障礙]的機會。」

「醫學影像革命」的技術

這項新技術的一些應用包括腦部成像，診斷皮膚狀況，以及識別不同器官中的腫瘤。該方法可能涉及手持設備或皮膚貼片，這取決於需要監控的區域。

只要在皮膚表面塗上它，醫護人員就可以獲得內髒的圖像，而不會產生潛在的副作用和內窺鏡檢查的不愉快感。

"能夠傳遞來自器官(如大腦)的圖像，而不需要插入物理光學組件，將為在人體內植入侵入性內窺鏡提供一個重要的替代方案。「

「這種方法可以革命性的生物醫學成像領域，」他補充說。

「混濁的媒體一直被認為是光學成像的障礙，」合著者Scopelliti補充道。「但我們已經證明，這種媒體可以轉化為盟友，以幫助光能達到預期的目標。」

「當我們用正確的模式激活超聲波時，混濁的介質立即變得透明。想到這種方法對從生物醫學應用到計算機視覺等廣泛領域的潛在影響，是令人興奮的。」