15.01.2020

Грань Будущего: Бесконтактное полностью лазерное УЗИ

Колесниченко Ю.Ю., врач УЗД, www.uzgraph.ru

Метки: Последние публикации, дайджест, новости, хай-тек

Содержание:

По данным публикации в журнале Свет: Теория и Применение (Light: Science & Applications) за декабрь 2019 - Full noncontact laser ultrasound: first human data / Полностью бесконтактный лазерный ультразвук: первые данные человека - внешняя ссылка

Вступление

Современная ультразвуковая диагностика хорошо зарекомендовала себя в диагностической и интервенционной медицинской визуализации и является наиболее часто используемым методом визуализации мягких тканей. УЗИ имеет преимущества по сравнению с другими методами визуализации, в том числе то, что УЗИ является неионизирующим, относительно дешевым и портативным методом. Современные варианты ультразвуковой технологии варьируют от прикроватных систем на основе тележки до портативных портативных устройств. Обычная ультразвуковая визуализация требует размещения пьезоэлектрических датчиков в контакте с пациентом для передачи, а затем получения отраженных акустических волн с поверхности тела. По сравнению с другими методами визуализации контакт с пациентом является источником изменчивости, уникальной для ультразвука. Оператор выполняющий УЗИ применяет различную контактную силу на ультразвуковой датчик и подлежащие ткани, и результирующее сжатие ткани вызывает изменения в УЗ-изображении; Показано, что методы количественной ультразвуковой визуализации, такие как эластография со сдвиговыми волнами, напрямую чувствительны к сжатию тканей. Другие области применения чувствительные к прикосновениям, например такие как удаленный мониторинг пациента(в частности неонатального), отслеживание заживления ран и сканирование чувствительных участков кожи - могут существенно выиграть от применения бесконтактных ультразвуковых диагностических систем.

Кроме того, получение срезов без участия человеческой руки способствует формированию чувствительных к ориентации изображений. Эти два источника изменчивости(*а точнее один - оператор! Кроме того, сжатие датчиком подлежащих тканей часто необходимо для получения более хорошего изображения или используется, как диагностический критерий, как, например, при диагностике тромбоза глубоких вен. Так что выигрыш тут весьма сомнительный) изображения обычно усложняют динамическое отслеживание (мониторинг во времени) морфологии ткани с помощью УЗИ. Для сравнения, МРТ и КТ имеют фиксированные системы получения срезов и генерируют объемные изображения без контакта с пациентом. Тем не менее, частая визуализация для постоянного мониторинга пациентов с использованием МРТ или КТ является непомерно дорогостоящей и может привести к значительному воздействию ионизирующего излучения в случае КТ.

Метод объемной бесконтактной ультразвуковой визуализации может устранить многие существующие ограничения и распространить ультразвуковую визуализацию на более широкие области применения. Как показано в этой статье, полностью бесконтактный лазерный ультразвук, использующий фотоакустические источники на поверхности кожи в сочетании с лазерным интерферометрическим детектированием, генерирует характеристики изображения в исследованиях на людях, сравнимые с обычным УЗИ, и может учитывать обычные ограничения ультразвука. Полностью оптическая система бесконтактного ПЛУЗИ(полностью лазерное УЗИ) широко применима к областям визуализации чувствительным к контакту - эластографии, скелетно-мышечному УЗИ и визуализации чувствительных/болезненных тканей(*открытых ран, интраоперационно! Идеально с точки зрения антисептики, стерильный гель и перчатки на датчик не нужны...). Кроме того, ПЛУЗИ может иметь широкое применение в экстренной медицине и хирургии, когда часто требуется получение изображений большой площади и с высоким временным разрешением, что не всегда возможно из-за высокой стоимости, радиации или невозможности безопасно переместить пациентов в МРТ-сканер.

Другие подходы к достижению бесконтактного и объемного ультразвука включают ультразвуковую томографию (УЗТ) и фотоакустику (ФА). При УЗТ объект визуализации обычно находится в резервуаре с водой, который окружен ультразвуковыми датчиками. Системы УЗТ могут создавать объемные ультразвуковые изображения тканей человека, сравнимые с данными МРТ или КТ(*одна из ключевых проблем подобного рода систем, почему от них уже давно отказались, то, что для УЗИ важна дистанция до объекта, чем меньше дистанция, тем более высокую частоту звука можно применить, а чем выше частота, тем детальнее получаемое изображение!). Тем не менее, геометрические ограничения резервуаров для воды и негибкость больших ультразвуковых решеток ограничивают системы УЗТ для весьма специфических применений, таких как визуализация молочных желез(* См. Операторонезависимое УЗИ - Хай-тек ... ). В отличие от УЗТ, ФА-подходы - использующие преобразование оптической энергии в акустическую энергию посредством термоупругого расширения ткани - предлагают путь к сжатию и ультразвуковой визуализации без связующего агента. Со времени первого сообщения об ФА-эффекте прошло более столетия, современные системы ФА являются многоволновыми, многоточечными и многоконтрастными и используют для масштабирования изображения деления шкалы от микронов до сантиметров. Обычно ФА использует оптический источник для возбуждения и традиционные пьезоэлектрические элементы для обнаружения. Импульсные лазеры, облучающие биологическую ткань, генерируют акустические импульсы посредством оптического поглощения и индуцируют термоупругие напряжения и релаксацию в ткани. Регулируя оптическую длину волны, можно избирательно отображать различные светочувствительные поглотители в биологической ткани. Чтобы повысить качество изображения или глубину изображения, можно также вводить оптические контрастные агенты, такие как наночастицы или красители. Поскольку генерация ФА-сигнала зависит от цели, пространственное расположение точки оптического преобразования в ткани может быть локализовано только апостериори. В зависимости от облучающего оптического луча может потребоваться инверсия времени нескольких записанных акустических сигналов, чтобы локализовать исходное положение для восстановления ФА-изображения. Глубина и разрешение ФА-визуализации зависят от объекта и приложения, что определяется взаимодействием конкретного источника света и интересующей ткани; таким образом, оптические параметры, такие как длина волны, мощность, геометрический фокус и частота повторения импульсов, являются критическими при проектировании ФА-системы.

В отличие от большинства ФА-систем, метод ПЛУЗИ использует оптический детектор и является полностью бесконтактным. Оптическое обнаружение ультразвука обеспечивает повышенную чувствительность, более широкую полосу пропускания, более компактную упаковку и истинные бесконтактные измерения. Технология ПЛУЗИ широко используется в неразрушающем контроле (НК *дефектоскопия) для дистанционного измерения толщины, обнаружения дефектов и определения характеристик материала. Совсем недавно ПЛУЗИ было продемонстрировано на фантомах, имитирующих ткани, образцах иссеченной ткани и хориоаллантоисной мембране курицы. Однако полностью оптическая ультразвуковая система для визуализации человека in vivo ранее не была продемонстрирована.

В этой статье авторы сообщают о разработке и оценке безопасной для глаз и кожи, полностью бесконтактной, полностью оптической системы визуализации ПЛУЗИ, испытанной на людях in vivo. Также в работе представлены изображения полученные на имитирующих ткань фантомах и тканях животных ex vivo. В отличие от оптического источника в ФА-системе, с максимальным увеличением оптического проникновения в ткань, оптический источник для системы ПЛУЗИ сводит к минимуму проникновение в ткани с преобразованием оптической энергии в акустическую энергию на поверхности ткани. Типичные ФА-системы полагаются на оптические окна, где оптическое поглощение ткани является низким, для более глубокого проникновения в ткани и выборочного изображения оптических поглотителей, таких как гемоглобин или другие вводимые оптические контрастные агенты. Поскольку оптическое затухание в ткани на два-три порядка выше, чем акустическое, ФА-преобразование на поверхности ткани и получение обратного сигнала значительно более эффективно, чем оптическое распространение в глубину тканей. Благодаря выбору оптических длин волн с высоким коэффициентом оптического поглощения, оптическое проникновение сводится к минимуму, а выделение тепла по причине термоакустического преобразования максимально. Кроме того, пространственное местоположение сгенерированного акустического источника может быть локализовано априори, устраняя необходимость в алгоритмах обнаружения массива и инверсии для локализации источника. В сочетании с оптическим детектором система ПЛУЗИ является бесконтактной и аналогична обычной ультразвуковой визуализации, за исключением того, что она использует свет(*плюс к ультразвуку). Позиционирование в свободном пространстве точек оптического источника и детектора позволяет получать объемные изображения ПЛУЗИ без дорогостоящих 2D пьезоэлектрических решеток. Результаты визуализации с помощью системы ПЛУЗИ представляют собой первый экземпляр лазерной ультразвуковой системы, испытанной на людях. Сообщается о результатах, демонстрирующих осуществимость системы ПЛУЗИ и понимание ее конструкции. Человеческие ПЛУЗИ-изображения обнадеживают и будут стимулировать дальнейшие исследования в направлении клинической реализации бесконтактной технологии ПЛУЗИ-визуализации.

Результаты

Объемная 3D Фантомная Визуализация

Система ПЛУЗИ была первоначально оценена на фантомах, имитирующих ткани, и на ткани свиньи ex vivo до экспериментов на людях-добровольцах. Лазерный источник с импульсным излучением 1540 нм подавал оптические импульсы для возбуждения акустических волн на поверхности ткани, а лазерный доплеровский виброметр(ЛДВ) Mach-Zehnder с непрерывной волной(CW) 1550 нм измерял возврат акустических колебаний на поверхности ткани. Оба лазера сертифицированы производителем как безопасные для глаз и кожи. Было измерено, что исходный лазер и ЛДВ имеют 2,3 мДж на импульс и 9,8 мВт соответственно. Исходный лазер имеет диаметр луча 2 мм на поверхности объекта, а пятно ЛДВ фокусируется вручную для максимального увеличения оптического обратного рассеяния. Сообщаемая эквивалентная мощность шума для ЛДВ составляет <0,5 мкм/с/кв.корень из Гц. Авторы специально выбрали длины волн около 1500 нм, чтобы ограничить оптическое проникновение к поверхности ткани и максимизировать преобразованную амплитуду источника. Длины волн около 1500 нм могут использовать высокое оптическое поглощение ткани около 1500 нм для эффективного преобразования источника при сохранении безопасности глаз и кожи благодаря наличию максимально допустимых пределов воздействия(МДПВ), а именно 1 Дж/см^2 и 0,1 Вт/см^2 для импульсных и непрерывно-волновых лазеров 1500–1800 нм соответственно. С учетом пределов безопасности, рассчитанных с использованием предельных диаметров диафрагмы по стандарту ANSI, соответствующие значения облучения источника и детектора составляют 0,024 Дж/см^2 и 0,1 Вт/см^2, находятся в пределах МДПВ для глаз и кожи. Поверхностные улучшения не использовались ни для каких экспериментов по ПЛУЗИ-визуализации(*А как насчет ухудшения?).

Желатиновые фантомы с высоким содержанием воды с различными включениями были сконструированы для воспроизведения оптических характеристик поглощения биологической ткани в инфракрасном (ИК) спектре. Металлические сферы, стержни, диски и квадратные включения были встроены в фантомы для оценки возможностей визуализации ПЛУЗИ-системы. Оптический источник и точки обнаружения были механически откалиброваны, проконтролированы и размещены с использованием направляющих зеркал и линейных каскадов. Управление свободным пространством источника и точек обнаружения позволяет получать как 2D, так и 3D изображения. Вывод временных рядов ЛДВ был записан через цифровой осциллограф, подключенный к компьютеру(*Далее приводится сравнение изображений ПЛУЗИ и Logiq E9, ПЛУЗИ явно проигрывает, но надо понимать, что это пока всего лишь опытный образец).

Изображения ПЛУЗИ сравнивали с клиническим ультразвуковым томографом GE Logiq E9 с линейным датчиком с центральной частотой 9 МГц. При сравнении изображения ПЛУЗИ и обычного изображения в B-режиме был выявлен высокий уровень согласованности характеристик изображений. Система ПЛУЗИ также смогла сгенерировать трехмерные объемные изображения. Предыдущие исследования ПЛУЗИ отображали фантомы со встроенными предметами / тканями, но полагались на добавленный световозвращающий материал на фантомной поверхности для повышения оптической отражательной способности для оптического детектора(*Ах вот оно что! Улучшатели! Ай-яй-яй, не хорошо...).

Ex vivo визуализация животных

Иссеченную брюшную ткань свиньи, визуализировали в ПЛУЗИ-системе. Использование свиной ткани в качестве человеческого аналога в биомедицинских исследованиях хорошо известно, в том числе для использования в токсикологии, иммунологии, заживлении ран и облучении. Свиная кожа похожа на кожу человека как по анатомической структуре, так и по оптическому составу. Брюшная ткань свиньи была получена на местном рынке без специальной подготовки, чтобы учесть естественные изменения кожи. В каждом образце были четко визуализированы эпидермис, дерма, подкожный жир и мышечные слои. Подобно изображениям на фантомах, было выполнено линейное сканирование с помощью ПЛУЗИ на каждом образце. Изображения ПЛУЗИ также сравнивались таковыми полученными на обычном УЗИ. Никаких признаков повреждения тканей не было обнаружено на поверхности ткани после экспериментов с ПЛУЗИ(*И опять на представленных изображениях ПЛУЗИ видна разница с обычным УЗИ, по типу более низкой частоты на изображениях ПЛУЗИ, т.е. более низкая детализация. Что собственно является решающим моментом при выборе методики.).

Полученные изображения ПЛУЗИ подтверждает, что ПЛУЗИ чувствительно к характеристикам мягких тканей при безопасных для глаз и кожи уровнях оптического воздействия. На изображении ПЛУЗИ хорошо видны отражающие границы раздела воздух-ткань на расстоянии ~ 4,5 см, также видны и слабо отражающие границы мягких тканей, такие как границы раздела кожа-жир и жировая мышца. Подкожно-жировой слой и многочисленные границы мышечного жира четко представлены на изображении ПЛУЗИ. Обычные ультразвуковые изображения подтверждают все полученные ПЛУЗИ границы и характеристики. Доминирующие границы мягких тканей присутствуют как на ПЛУЗИ, так и на обычных ультразвуковых изображениях на расстоянии 1 см, 2 см и 3,5 см. В частности, контур первого отражающего слоя мышечного жира на 1 см совпадает как на ПЛУЗИ, так и на обычных изображениях УЗИ(*только качество ПЛУЗИ изображений оставляет желать лучшего...).

ПЛУЗИ визуализация человека in vivo

Комитет MIT по использованию людей в качестве экспериментальных объектов (COUHES) утвердил протокол визуализации ПЛУЗИ человека. Предплечья четырех добровольцев были исследованы с помощью системы ПЛУЗИ. Согласие каждого добровольца было получено до ПЛУЗИ и обычной ультразвуковой визуализации. Оба лазера исходный и принимающих были проверены на безопасность в соответствии со стандартом ANSI. Подобно предыдущим экспериментам, обычная ультразвуковая визуализация с использованием системы GE Logiq E9 следовала за каждым сеансом визуализации ПЛУЗИ для проверки полученных данных. ПЛУЗИ и обычное УЗИ были выполнены с внутренней и задней стороны предплечья добровольцев. Ни один из добровольцев не сообщал о каких-либо ощущениях, дискомфорте или изменении ткани во время или после сеанса визуализации ПЛУЗИ. На реконструированном изображении ПЛУЗИ были четко видны такие особенности ткани, как границы мышечной фасции и поверхность кости. Сравнивая ПЛУЗИ с обычным УЗИ, одни и те же элементы мягких тканей и костей присутствуют на одной и той же глубине, подтверждая, что система ПЛУЗИ может обнаруживать признаки, в настоящее время обнаруживаемые обычным УЗИ(*и после просмотра этих изображений хочется сказать, ну ... приехали, изображения мышц просто ужасные, исчерченности мышц на ПЛУЗИ не видно вообще, мышцы выглядят, как анэхогенные пространства с помехами...жуть. Что в очередно раз подтверждает теорию использования более низкой частоты сканирования. Вопрос, а смогут ли они её увеличить?! И если нет, то эта система так и останется музейным экспонатом...).

Обсуждение

Результаты ПЛУЗИ и изображения человека

Результаты визуализации ПЛУЗИ для тканей свиньи и человека демонстрируют способность ПЛУЗИ удаленно и глубоко отображать биологические ткани при безопасных уровнях оптического воздействия. Границы ткани, обнаруженные ПЛУЗИ, согласуются с границами ткани, обнаруженными обычным УЗИ. Компоненты технологии ПЛУЗИ были изучены в предыдущих исследованиях, но полная демонстрация ПЛУЗИ на людях ранее не была представлена. Изображение ПЛУЗИ человека, представленное в данной публикации, является первым случаем применение ПЛУЗИ на человеке in vivo, а объемное изображение ПЛУЗИ демонстрирует возможности ПЛУЗИ при 3D-визуализации. Ограничивая оптическое проникновение и выбирая оптические длины волн, которые максимизируют как генерацию, так и обнаружение акустических волн, ПЛУЗИ может применяться на фантомах, имитирующих ткани, иссеченных тканях свиньи и людях без каких-либо улучшений поверхности для оптического источника или производительности детектора. Валидация результатов ПЛУЗИ на людях является важным шагом к доказательству клинической жизнеспособности ПЛУЗИ и мотивирует дальнейшие исследования и разработки ПЛУЗИ.

Визуализация ПЛУЗИ в ткани свиньи показывает четкий и когерентный пограничный слой на глубине 1,5 см, но более глубокие слои представляют значительные артефакты вблизи границы. Тот же эффект виден на человеческом изображении ПЛУЗИ для более глубоких слоев. Эти зависящие от глубины артефакты, вероятно, связаны с отсутствием фокусировки по высоте в ПЛУЗИ. В то время как обычный ультразвуковой датчик фокусируется по высоте для минимизации неплоских отражений, оптические источники и приемники не сфокусированы и становятся чувствительными к большему неплоскому отражению на больших глубинах изображения. На изображении ПЛУЗИ человека видно больше артефактов, чем на изображении ПЛУЗИ свиньи, и их можно отнести к движению пациента и изменениям оптического обратного рассеяния на коже. В целом, на изображениях ПЛУЗИ присутствует меньше акустических пятен из-за более низкой частоты изображения(*о чем и речь...), ширины полосы и бокового разрешения ПЛУЗИ, чем у обычного ультразвука. В настоящее время производительность ПЛУЗИ ограничена акустической частотой, генерируемой оптическим источником, и чувствительностью детектора. Частота источников ПЛУЗИ определяется падающей длиной оптической волны и поглощением ткани, с ограничениями полосы пропускания из-за акустического затухания и шероховатости поверхности ткани; ожидаемая ширина полосы источника для ПЛУЗИ при 1540 нм составляет ~ 1,5 МГц(*А этого мало...). Для оптического обнаружения бесконтактные интерферометрические методы ограничены оптическим обратным рассеянием от поверхности ткани. Оптические детекторы имеют более чем достаточную полосу пропускания для ультразвуковой визуализации, но, как правило, полагаются на идеальные стационарные отражающие поверхности для измерения без учета безопасности человека. Основываясь на экспериментах на людях, наблюдается значительное изменение оптического обратного рассеяния, так как детектор использовался для сканирования ткани кожи. Оптическая отражательная способность на людях была зарегистрирована для оптических длин волн между 250 и 2500 нм, но измерение зеркального отражения отсутствует. Необходимо разработать характеристики полного отражения кожи для разработки специализированных оптических детекторов для клинических ПЛУЗИ. Для системы ПЛУЗИ, о которой здесь сообщается, 1550 нм ЛДВ был специально выбран для максимизации допустимого оптического обратного рассеяния от кожи при сохранении безопасности. Адаптивная фокусировка может дополнительно уменьшить изменчивость, связанную с изменениями кожи и движением пациента, но контроль обратной связи оптического выхода на основе оптического обратного рассеяния будет необходим.

На этом этапе изображения ПЛУЗИ, представленные здесь, сравнимы с изображениями, представленными на начальных этапах медицинской ультразвуковой визуализации десятилетия назад(*Конечно, всего 1,5 МГц...). Количественное сравнение изображений современной технологии ПЛУЗИ с современным медицинским ультразвуком пока преждевременно. Традиционные ультразвуковые изображения, представленные здесь, используют преобразователь центральной частоты 9 МГц с многоэлементным формированием луча и имеют ожидаемое более высокое качество изображения и разрешение, чем у изображений ПЛУЗИ. Тем не менее, сходные структуры и размеры последовательно наблюдаются в обеих модальностях. В то время как дальнейшая работа остается до коммерциализации и клинического использования, доступны основные технологии ПЛУЗИ. Обсуждаемые в последующих разделах последние достижения в области лазерных технологий, кремниевой фотоники и гидрогелей могут ускорить дальнейшее развитие ПЛУЗИ.

*Также в публикации представлены снимки УЗИ и ПЛУЗИ.

*комментарии редактора