對于大多數(shù)人來說，接受超聲波檢查是一個(gè)相對簡單的過程：當(dāng)技術(shù)人員輕輕地將探頭壓在患者皮膚上時(shí)，探頭產(chǎn)生的聲波穿過皮膚，在肌肉、脂肪和其他軟組織上反彈，然后反射回探頭，探頭檢測到這些波并將其轉(zhuǎn)換為下面的圖像。

傳統(tǒng)超聲波不會(huì)像X射線和CT掃描儀那樣讓患者暴露在有害的輻射中，而且通常是非侵入性的。但它確實(shí)需要與患者的身體接觸，因此，在臨床醫(yī)生可能想要想象不能很好地耐受探頭的患者。

如嬰兒、燒傷患者或其他皮膚敏感的患者的情況下，這可能是有限的。此外，超聲探頭接觸會(huì)引起明顯的圖像變異性，這是現(xiàn)代超聲成像中的一個(gè)主要挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師們，已經(jīng)提出了一種替代傳統(tǒng)超聲波的方法，它不需要與身體接觸就能看到患者的內(nèi)部。這項(xiàng)新的激光超聲技術(shù)利用一種對眼睛和皮膚安全的激光系統(tǒng)來遠(yuǎn)程成像人體內(nèi)部。當(dāng)激光照射到病人的皮膚上時(shí)，一束激光就會(huì)遠(yuǎn)程產(chǎn)生聲波，在人體內(nèi)反彈。

第二個(gè)激光器遠(yuǎn)程探測反射波，然后研究人員將其轉(zhuǎn)換成類似于傳統(tǒng)超聲波的圖像。在發(fā)表在《自然》和《光：科學(xué)與應(yīng)用》期刊上的新研究中，研究小組報(bào)告了在人類身上首次產(chǎn)生激光超聲波圖像（圖2）。研究人員掃描了幾名志愿者的前臂，觀察了常見的組織特征，如肌肉、脂肪和骨骼，低至皮膚下約6厘米。這些圖像可以與傳統(tǒng)超聲波相媲美，是使用遠(yuǎn)程激光在半米外聚焦于一名志愿者而產(chǎn)生的。

資深作者、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系和醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所(IMES)的首席研究科學(xué)家布萊恩·W·安東尼說：我們正處于激光超聲技術(shù)的開端。想象一下，我們現(xiàn)在可以做超聲波能做的一切，但距離很遠(yuǎn)。這給了你一種全新的方式來查看體內(nèi)器官和確定深層組織的屬性，而不需要與患者接觸。近年來，研究人員在一個(gè)被稱為光聲學(xué)的領(lǐng)域，探索了基于激光的超聲激發(fā)方法。這個(gè)想法不是直接將聲波發(fā)送到人體內(nèi)，而是以特定波長的脈沖激光形式發(fā)送進(jìn)來，穿透皮膚并被血管吸收。

血管迅速擴(kuò)張和松弛（由激光脈沖瞬間加熱，然后由身體迅速冷卻到原來的大?。┲皇窃俅伪涣硪粋€(gè)光脈沖擊中。由此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生聲波，聲波向上傳播，放置在皮膚上的換能器可以檢測到聲波，并將其轉(zhuǎn)換為光聲圖像。雖然光聲學(xué)使用激光遠(yuǎn)程探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但這項(xiàng)技術(shù)仍然需要與身體直接接觸的探測器才能拾取聲波。更重要的是，光線在褪色之前只能進(jìn)入皮膚很短的距離。因此，其他研究人員已經(jīng)使用光聲學(xué)對皮膚下面的血管進(jìn)行成像，但成像深度不是很深。

由于聲波比光傳播得更遠(yuǎn)，研究團(tuán)隊(duì)尋找了一種方法，將激光束的光在皮膚表面轉(zhuǎn)化為聲波，以便在身體更深的地方成像。基于研究，研究小組選擇了1550納米的激光，這是一種被水高度吸收的波長（對眼睛和皮膚都是安全的，有很大的安全裕度）。由于皮膚基本上是由水組成，研究小組推斷，皮膚應(yīng)該有效地吸收這種光線，并相應(yīng)地加熱和膨脹。當(dāng)它振蕩回到正常狀態(tài)時(shí)，皮膚本身應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生聲波，通過身體傳播。

研究人員用激光裝置測試了這一想法，使用一個(gè)設(shè)置為1550納米的脈沖激光來產(chǎn)生聲波，并使用第二個(gè)連續(xù)的激光，調(diào)諧到相同的波長，以遠(yuǎn)程探測反射的聲波。這第二個(gè)激光器是一個(gè)靈敏的運(yùn)動(dòng)探測器，它測量從肌肉、脂肪和其他組織反彈過來的聲波，在皮膚表面引起振動(dòng)。反射聲波產(chǎn)生的皮膚表面運(yùn)動(dòng)會(huì)引起激光頻率的變化，這是可以測量的。通過機(jī)械掃描身體上的激光，科學(xué)家可以獲取不同位置的數(shù)據(jù)，并生成該區(qū)域的圖像。

這就像我們一邊沿著墻走，一邊在不同的地方傾聽，不斷地對著大峽谷大喊大叫，這能得到足夠的數(shù)據(jù)，讓你找出聲波反彈到的所有物體幾何形狀。研究人員首先使用新裝置對鑲嵌在明膠模具中的金屬物體進(jìn)行成像，這些物體與皮膚的含水量大致相似。研究用一種商用超聲波探頭對同一種明膠進(jìn)行成像，發(fā)現(xiàn)兩種圖像非常相似，令人振奮。接著對切除的動(dòng)物組織（在這種情況下是豬皮）進(jìn)行成像，發(fā)現(xiàn)激光超聲波可以區(qū)分更微妙的特征，比如肌肉、脂肪和骨骼之間的邊界。

最后，研究小組使用麻省理工學(xué)院人體實(shí)驗(yàn)委員會(huì)批準(zhǔn)的方案，在人體上進(jìn)行了第一次激光超聲實(shí)驗(yàn)。在掃描了幾名健康志愿者的前臂后，研究人員產(chǎn)生了第一個(gè)完全非接觸式的人體激光超聲圖像。脂肪、肌肉和組織邊界清晰可見，可與商用接觸式超聲探頭生成的圖像相媲美。研究人員計(jì)劃改進(jìn)技術(shù)，目前正在尋找方法來提高系統(tǒng)的性能，以解決組織中的精細(xì)特征，同時(shí)還在尋求磨練探測激光器的能力。研究人員希望將激光裝置小型化，這樣有朝一日激光超聲波可能會(huì)被部署為便攜式設(shè)備。

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《自然》《光：科學(xué)與應(yīng)用》

DOI: 10.1038/s41377-019-0229-8

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