英国伦敦大学学院的研究人员展示了全光学超声波在视频速率下的实时二维成像，缩短了图像采集时间，且能够以辅助图像指导手术过程，使全光学超声波可用于常规临床应用。图片来源：英国伦敦大学学院/Erwin Alles。

超声波是一种对生物组织成像的成熟的技术方法，一般采用电子换能器阵列来产生和接收超声波信号。该技术的全光学方法是由入射激光脉冲产生超声波并且由光纤传感器获得信号，这是目前较好的一种替代方案。但是通常需要去除电子组件以助于抵抗电磁干扰，并且能够使该方法与核磁共振成像兼容。然而迄今为止，全光学方法需要较长的采集时间来生成实际医疗使用中所需视频速率下的二维或三维图像，使得目前该方法对于临床医生而言还无法实际应用。

伦敦大学学院的一个研究团队目前已经开发出一种可能的解决方案，设计和测试了能够对生物组织进行实时视频速率二维成像的全光学超声平台。在实验中，研究人员利用原型平台获取了斑马鱼头部的静态离体图像，以及猪颈动脉的动态离体图像，实现了15Hz的持续视频帧速率，以及至少6毫米的穿透深度和75×100微米的分辨率。据研究团队称，利用该方法将帮助研究离体动脉的动力学。

伦敦大学学院的Erwin Alles评论称：“这些实验结果是通过创新和优化相结合实现的，每一项都对实现视频率图像采集至关重要。从硬件的角度来看，新方法需要高效的光学超声波发生器和高灵敏度的光学超声波探测器，我们的实验室对这两种器件的研发制造都有独到的经验。如果不采用这两种器件，实现高信噪比通常需要进行信号平均，而这将会降低视频帧速率。”

通过利用聚合物纳米复合材料制造光学超声波发生器，伦敦大学学院能够将1064纳米的激光聚焦到自由悬浮的5×3厘米光学吸收材料薄膜上，以光学方式产生清晰的超声信号。使用电流镜将焦斑移动穿过薄膜，有效地产生声源孔并使其合成不同的声源几何形状。由可调谐连续波激光器等设备组成的光纤声学接收器用于记录返回的超声信号，而超声信号处理的进步有助于得到最终的清晰图像。

用于临床的小型化设备

目前，成像系统的性能不受光源的限制，而是受光学超声波发生器的损伤阈值以及数据采集和处理速率等其他因素的限制。目前实际使用的所有激光器都是商业上获得认可的优秀模型。

Alles表示：“我们使用的激光光源是一种紧凑型Q开关脉冲激光器，脉冲持续时间为几纳秒；而光纤声学接收器中使用的激光器是一种商用波长可调激光器，通常用于电信行业。在未来的工作中，能够提供对脉冲持续时间和形状控制的不同光源将能够控制所产生的声学带宽，从而能够动态控制声学分辨率和穿透性能之间的平衡。这将极大地改善超声设备的多功能性。”该研究团队指出，其全光学超声波所达到的动态范围目前低于电子成像探头，但它已经在这一领域取得了重大进展。图像重建算法和深度学习的进一步应用也将有助于提高系统的性能。

将新方法应用于临床最终都将需要将设备小型化成为手持探针等设备，其中还包括光学器件的小型化，以及满足不同的数据采集需求。这可能涉及在空间上将光学交换技术与成像孔径分离，或者使光通过一束微型光纤进行传输。Alles表示，目前伦敦大学学院的研究小组正在积极探索这两种方案，其目标是在2～3年内实现演示设备的充分小型化。他评论道:“鉴于目前所用材料的价格低廉，光学超声波发生器的制造方法简单，以及电子超声设备的紧缺，我们预计未来的全光学超声成像探头价格将与电子成像探头的价格持平，同时还能提供与核磁共振成像的兼容性、抗电磁干扰能力，并增加多功能性。全光学超声成像探头有可能彻底改变图像辅助手术的现状。”

来源： http://optics.org/news/9/7/17

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