據麥姆斯咨詢介紹，麻省理工學院（MIT）林肯實驗室和馬薩諸塞州總醫院超聲研究與轉化中心的研究團隊合作開發了一種新型醫學成像設備，被稱為非接觸式激光超聲（NCLUS）系統。這種基于激光的超聲成像系統可以提供器官、脂肪、肌肉、肌腱和血管等人體內部特征的圖像，還可以測量骨骼強度，通過進一步開發還有望實現疾病發展階段的跟蹤。
“這項申請專利且對皮膚安全的激光系統概念，旨在通過克服傳統接觸式探頭的局限性來變革醫學超聲成像技術。”林肯實驗室有源光學系統研究組高級職員、首席研究員Robert Haupt解釋稱。Haupt及其同事Charles Wynn是該技術的共同發明人，助理組長Matthew Stowe為NCLUS項目提供技術指導和監督。Rajan Gurjar是系統集成負責人，Jamie Shaw、Bert Green、Brian Boitnott（現就職于斯坦福大學）和Jake Jacobsen合作進行了光學和機械工程以及系統構建。
NCLUS便攜式多自由度平面定位支架
NCLUS配備了微型激光源和接收器、柔性光纖、反射鏡以及相機
醫學超聲成像的實踐應用
利用超聲波成像，醫生可以無創地“觀察”人體內部，對不同的組織及其形狀進行成像。超聲波還可以測量動脈和靜脈中的血流脈沖，表征組織和器官的機械特性（彈性成像）。超聲波成像能夠幫助醫生評估并診斷各種健康狀況、疾病和損傷。例如，超聲波可以對發育中胎兒的解剖結構進行成像，檢測腫瘤，測量心臟瓣膜狹窄或滲漏的程度等。從基于iPhone的手持超聲設備到基于推車的醫學超聲系統，超聲波成像具有高度便攜性且相對經濟，已經廣泛用于即時檢測和遠程醫療。
傳統超聲成像的局限性
盡管最先進的醫學超聲系統已經能夠解析毫米以內的組織特征，但該技術仍然存在一定的局限性。例如，超聲檢查人員需要用手操作探頭尋找觀察人體內部的最佳窗口，這可能會導致成像誤差。具體來說，檢察人員通過感覺向探頭施加壓力時，隨機按壓探頭接觸的局部組織，可能會導致組織特性發生不可預測的變化，從而影響超聲波的傳播路徑，進而使系統無法準確對組織特征形狀進行成像。此外，即使稍微傾斜探頭，也會改變圖像視圖的角度平面使圖像傾斜，造成組織特征定位的不準確。
這種圖像失真和定位不確定性影響很大，有可能無法以足夠的置信度進行解析，例如，腫瘤是變大還是變小，以及腫瘤在宿主組織中的精確位置等。此外，特征尺寸、形狀和位置的不確定性也會在重復測量中變化，即使是同一位超聲檢查醫師也會面對這種窘境。而不同的超聲檢查醫師嘗試進行相同的檢測時，這種不確定性會更加嚴重。
由于這些缺點，超聲波通常無法追蹤癌性腫瘤及其它疾病狀態。相比之下，磁共振成像（MRI）和計算機斷層掃描（CT）等方法雖然成本高得多，系統規模更大，復雜度更高，并且存在輻射風險，但還是需要利用它們來跟蹤疾病的進展情況。
通過超聲成像的完全自動化獲取，NCLUS有望降低對超聲檢查醫師的要求，并降低操作人員的人為不確定性。激光定位可以精確再現，從而消除重復測量的差異。此外，由于測量是非接觸的，因此不會發生局部組織壓迫或與之相關的圖像特征失真。此外，與MRI和CT類似，NCLUS也可以提供一種固定的參考系，利用皮膚標記來再現并比較隨時間推移的重復掃描。為了支持這種跟蹤功能，研究團隊開發了一種軟件，可以處理超聲波圖像并檢測它們之間的所有變化。NCLUS既不需要醫師手動加壓，也不需要偶聯凝膠（傳統接觸式探頭需要），也使其成為身體部位疼痛或敏感、狀態脆弱或有感染風險患者的理想選擇。
光致超聲波
光可以在皮膚表面附近被吸收，導致組織局部發熱和變形。這種熱彈性過程會產生超聲波，并反射回皮膚表面。
NCLUS采用脈沖激光，通過空氣將光能傳輸到皮膚表面，一旦進入皮膚就會被快速吸收。因此，光脈沖會引起瞬時局部加熱，并通過熱彈性過程使皮膚迅速變形，進而產生超聲波，充當超聲波源——這種現象被稱為光聲效應。
NCLUS采用脈沖激光器（綠色）產生超聲波，通過帶有接收通道（紅色）的激光測振儀檢測返回波。相機（灰色）記錄激光束位置，用于圖像構建。
光脈沖能夠產生足夠的超聲波功率，其頻率與實踐中的醫學超聲頻率相當，同時皮膚不會有任何感覺。該團隊為光學載波波長的選擇申請了專利，其光聲過程旨在創建一致的超聲波源，不受皮膚顏色或組織粗糙度的影響。
從組織內部返回的超聲回波以局部振動的形式呈現于皮膚表面，通過高靈敏度的專用激光多普勒測振儀可以進行測量。
Haupt解釋道：“通過合適的激光發射和接收，任何暴露的組織表面都可以成為可用的超聲波源和探測器。”
臨床實踐進展
2019年，該團隊證明NCLUS概念驗證（GEN-1）系統可以利用皮膚安全的激光從受試人體獲取超聲波圖像，這在醫學界尚屬首次。不過，獲取圖像數據的時間很長，對于臨床實踐來說不可行。此外，GEN-1系統的圖像分辨率顯著低于最先進的醫學超聲系統。
NCLUS GEN-1證明掃描激光可以在人體內產生超聲波并被接收器捕捉。然而，與標準超聲系統相比，圖像采集需要耗時20多分鐘，并且分辨率相對較低。
此后，為了使NCLUS GEN-1能夠適用于臨床測試的操作系統，研究團隊對其進行了重大的工程改進。在臨床NCLUS系統中，激光源和接收器都進行了小型化，安裝在連接到便攜式支架的光學探頭中。其脈沖和掃描激光器比GEN-1系統快了500倍，從而將整個圖像數據采集時間縮短到了一分鐘以內。未來的NCLUS原型圖像捕捉更快，僅需要不到1秒的時間即可完成。新臨床系統的超聲頻率也比GEN-1系統高得多，分辨率低至200微米，與當前最先進的醫學超聲系統相當。
NCLUS臨床系統中配有五個激光多普勒測振儀（LDV）接收器，可以對模擬組織凝膠體模中的細線和孔進行成像，提供與傳統超聲系統相當的顯示效果。
可移動支架能夠實現多個自由度，以對人體的各個區域進行光聲成像。光學探頭內部還有可編程快速轉向鏡，可自動定位光源并接收激光束，以精確建立超聲陣列。該系統利用一臺2D激光雷達來繪制患者皮膚表面的形貌圖；一臺高幀率短波紅外（SWIR）相機記錄激光源和接收器在皮膚上的投影位置，以提供構建超聲波圖像所需要的陣列參數。皮膚表面形貌圖和激光位置記錄通過皮膚的自然特征（例如雀斑等）來標記。通過這種方式，建立了一種固定的參考系，用于隨時間的推移執行精確的重復掃描。
在骨/組織體模中相同區域骨表面添加0.5 mm缺陷之前（左）和之后（中）的NCLUS成像，（右）圖指示了變化。
NCLUS臨床系統通過合成孔徑處理生成全自動且配準的超聲波圖像。該團隊在一個基于凝膠的冰球上演示了該系統，該冰球與控制超聲波傳播的人體組織（體模）的機械特性相匹配。
目前，該團隊正在進一步開發NCLUS，以支持前沿的軍事應用。這些應用包括：檢測和表征器官內出血造成的危及生命的損傷；監測使人衰弱的肌肉骨骼損傷，及其隨時間的愈合情況；以及提供截肢者肢體區域的軟組織和骨骼的彈性成像，以加速假肢接受腔的設計和安裝。其民用應用包括重癥監護室的成像等。借助NCLUS，急救醫療技術人員、護理人員和沒有受過專門超聲培訓的醫務人員，有望能夠在院外（例如醫生辦公室、家里或偏遠的戰場環境）進行超聲成像。
在NCLUS項目的下一階段，該團隊將采用對皮膚安全的激光源進行臨床研究，以評估超聲成像性能，并將其與傳統醫學超聲成像進行比較。如果這些研究成功，該團隊將尋求臨床醫療器械開發的商業化資金，然后申請美國食品藥品監督管理局（FDA）的批準。
