Hoewel echografie een van de meest gebruikte hulpmiddelen voor medische beeldvorming is, conventionele elektronische ultrasone apparaten zijn vaak omvangrijk en kunnen niet tegelijk met sommige andere beeldvormingstechnologieën worden gebruikt. Een nieuw ultrasoon systeem dat gebruikmaakt van optische, in plaats van elektronische componenten, zou de prestaties kunnen verbeteren en artsen aanzienlijk meer flexibiliteit geven in de manier waarop ze echografie gebruiken om medische problemen te diagnosticeren en te behandelen.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Biomedische Optica Express , onderzoekers demonstreren voor het eerst het gebruik van een volledig optische ultrasone imager voor videosnelheid, real-time 2D-beeldvorming van biologisch weefsel. De prestatie is een belangrijke stap in de richting van het praktisch maken van volledig optische echografie voor routinematig klinisch gebruik.

Omdat ze geen elektronische componenten in de beeldsonde nodig hebben, volledig optische ultrasone systemen kunnen veilig tegelijk met MRI-scanners (magnetic resonance imaging) worden gebruikt. Dit zou artsen een uitgebreider beeld geven van de weefsels rond een interessegebied, zoals een tumor of bloedvat.

"Volledig optische ultrasone beeldvormingssondes hebben het potentieel om beeldgestuurde interventies te revolutioneren, " zei Erwin J. Alles, Universiteits Hogeschool Londen, Verenigd Koninkrijk. "Een gebrek aan elektronica en de resulterende MRI-compatibiliteit zullen echte multimodale beeldgeleiding mogelijk maken, met sondes die mogelijk slechts een fractie zijn van de kosten van conventionele elektronische tegenhangers."

Lightbeam-scanspiegels die in het apparaat zijn ingebouwd, verhogen de beeldkwaliteit en maken het mogelijk om beelden in verschillende modi te verkrijgen. In een klinische setting, dit zou artsen in staat stellen snel te schakelen tussen modi op een enkel instrument om aan de taak te voldoen. Het verkrijgen van verschillende soorten beelden met behulp van conventionele ultrasone systemen vereist typisch afzonderlijke gespecialiseerde sondes.

"De flexibiliteit die wordt geboden door de scanspiegels zorgt voor naadloos schakelen tussen 2D- en 3D-beeldvorming, evenals een dynamisch instelbare afweging tussen beeldresolutie en penetratiediepte, zonder de noodzaak om de beeldsonde te verwisselen, " zei Alles. "Vooral in een minimaal invasieve interventionele setting, het verwisselen van beeldsondes is zeer storend, verlengt proceduretijden en introduceert risico's voor de patiënt."

Elektronica elimineren

Conventionele ultrasone beeldsensoren gebruiken arrays van elektronische transducers om hoogfrequente geluidsgolven in het weefsel te zenden en de reflecties te ontvangen. Een computer construeert vervolgens afbeeldingen van het weefsel.

Daarentegen, volledig optische ultrasone imagers gebruiken licht om ultrasone golven uit te zenden en te ontvangen. Gepulseerd laserlicht wordt gebruikt om ultrasone golven te genereren, en scanspiegels bepalen waar de golven in het weefsel worden overgebracht. Een glasvezelsensor vangt de gereflecteerde golven op.

De elektronische componenten van conventionele ultrasone apparaten maken ze moeilijk te miniaturiseren voor intern gebruik, dus de meeste bestaande ultrasone apparaten zijn groot, draagbare sondes die tegen de huid worden geplaatst. Hoewel er enkele minimaal invasieve ultrasone sondes met hoge resolutie zijn ontwikkeld, ze zijn te duur voor routinematig klinisch gebruik. Optische componenten kunnen gemakkelijk worden geminiaturiseerd en kleine volledig optische ultrasone sondes zouden waarschijnlijk aanzienlijk goedkoper zijn om te vervaardigen dan compacte elektronische ultrasone systemen, zeggen onderzoekers.

Beeldverwerking versnellen

Om afbeeldingen te genereren, een volledig optisch ultrageluidsysteem moet gegevens van meerdere optische bronlocaties verkrijgen, combineer ze en maak vervolgens een visualisatie die het gebied dat wordt afgebeeld, reconstrueert.

Onderzoekers hebben eerder aangetoond dat ze volledig optische echografie gebruiken om hoogwaardige 2D- en 3D-beelden te genereren. maar het verkrijgen van de beelden duurde uren, waardoor deze apparaten te traag zijn om in een klinische omgeving te worden gebruikt. De nieuwe demonstratie is de eerste die beelden verzamelt en weergeeft met volledig optische echografie met videosnelheden.

"Door de combinatie van een nieuw beeldvormend paradigma, nieuwe optische ultrasone klank producerende materialen, geoptimaliseerde geometrieën van ultrasone bronnen en een zeer gevoelige ultrasone vezeloptische detector, we bereikten beeldframesnelheden die tot drie ordes van grootte sneller waren dan de huidige state-of-the-art, ' zei Alles.

Een medische multitool

Optische ultrasone systemen zijn inherent veelzijdiger dan hun elektronische tegenhangers omdat ze geluid kunnen produceren met een veel grotere bandbreedte. Alles en collega's demonstreerden hoe de lichtbron kan worden gemanipuleerd om ofwel laagfrequent ultrageluid te genereren, wat resulteert in een grotere penetratie in het weefsel, of hoogfrequente echografie, die afbeeldingen met een hogere resolutie biedt op een geringere diepte.

Het team testte hun prototypesysteem door een overleden zebravis in beeld te brengen, evenals een varkensslagader die ze manipuleerden om de dynamiek van pulserend bloed na te bootsen. De demonstratie toonde beeldvormingsmogelijkheden die vergelijkbaar zijn met een elektronisch hoogfrequent ultrageluidsysteem, met een aanhoudende framesnelheid van 15 Hertz, een dynamisch bereik van 30 decibel, een indringdiepte van 6 millimeter en een resolutie van 75 bij 100 micrometer.

Om de technologie aan te passen voor klinisch gebruik, de onderzoekers werken aan de ontwikkeling van een lange, flexibele beeldsonde voor bediening uit de vrije hand, evenals geminiaturiseerde versies voor endoscopische toepassingen.