麻省理工学院林肯实验室的研究人员及其马萨诸塞州总医院 (MGH) 超声研究与转化中心 (CURT) 的合作者开发了一种新型医学成像设备：非接触式激光超声 (NCLUS)。这种基于激光的超声系统可提供器官、脂肪、肌肉、肌腱和血管等内部特征的图像。该系统还可以测量骨骼强度，并有可能随着时间的推移跟踪疾病阶段。
“我们获得专利的皮肤安全激光系统概念旨在通过克服与传统接触式探头相关的局限性来改变医疗超声波，”林肯实验室主动光学系统组的高级研究员、首席研究员 Robert Haupt 解释道 。Haupt 和高级工作人员 Charles Wynn 是该技术的共同发明人，助理组长 Matthew Stowe 负责 NCLUS 项目的技术领导和监督。Rajan Gurjar 是系统集成商负责人，与 Jamie Shaw、Bert Green、Brian Boitnott（现就职于斯坦福大学）和 Jake Jacobsen 合作进行光学和机械工程以及系统构建。
医学超声实践
如果您的医生要求进行超声波检查，您可以期待训练有素的超声检查师将手持设备中设置的一组换能器按压并操作到您的身体上。当超声检查医师将换能器探头推过您的皮肤时，高频声波（超声波）会穿透并传播到您的身体组织，在那里它们会“回响”不同的组织结构和特征。这些回声表现为声阻抗或组织强度的变化（组织柔软度或刚性），来自身体深处的脂肪、肌肉、器官、血管和骨骼。探头接收返回的回波，这些回波被组合成身体内部特征的代表性图像。使用专门的处理方案（合成孔径处理）来构建 2D 或 3D 组织特征的形状，
使用超声波，医生可以无创地“看到”身体内部，对不同的组织及其几何形状进行成像。超声波还可以测量通过动脉和静脉的血流脉冲，并可以表征组织和器官的机械特性（弹性成像）。超声波通常用于协助医生评估和诊断各种健康状况、疾病和损伤。例如，超声波可用于对发育中的胎儿进行解剖成像、检测肿瘤并测量心脏瓣膜狭窄或渗漏的程度。从 iPhone 上的手持设备到基于推车的系统，超声波具有高度便携性、相对便宜，并且广泛用于现场护理和远程现场设置。
超声波的局限性
尽管最先进的医学超声系统可以解析几分之一毫米内的组织特征，但该技术有一些局限性。超声检查人员徒手操作探头以获得进入身体内部的最佳观察窗口会导致成像错误。更具体地说，当超声检查人员通过感觉向探头施加压力时，他们会随机压缩探头接触的局部组织，从而导致组织特性发生不可预测的变化，从而影响超声波的传播路径。这种压缩会扭曲组织特征图像，并具有一定的不可预测性，这意味着无法准确绘制特征形状。此外，倾斜探头，即使是轻微倾斜，也会改变图像视图的角度平面——使图像倾斜，并造成身体特征定位的不确定性。
图像失真和位置参考不确定性足够严重，以至于超声无法以足够的置信度来解析，例如，肿瘤是否变大或变小以及肿瘤在宿主组织中的精确位置。此外，特征尺寸、形状和位置的不确定性会随着重复测量而变化，即使对于试图回溯其步骤的同一个超声检查师也是如此。当不同的超声医师尝试相同的测量时，这种不确定性（称为操作员变异性）会更加严重，从而导致操作员之间的变异性。由于这些缺点，超声波通常无法追踪癌性肿瘤和其他疾病状态。反而，
MGH 放射科影像科学副主任兼 CURT 主任 Anthony Samir 表示：“几十年来，变异性一直是医学超声的主要限制。”Samir 和他的 MGH CURT 同事 Kai Thomenius 和 Marko Jakolvejic 提供了重要的医疗经验、技术专业知识、向实验室团队提供有关传统超声设备的指导，并与他们合作开发 NCLUS 系统。
通过完全自动化采集超声图像的过程，NCLUS 有可能减少对超声医师的需求并减少操作员的可变性。激光定位可以准确地再现，从而消除重复测量的变化。由于测量是非接触式的，因此不会发生局部组织压实或其相关的图像特征失真。此外，与 MRI 和 CT 类似，NCLUS 提供固定参考帧功能，使用皮肤标记来再现和比较随时间推移的重复扫描。为了支持这种跟踪功能，实验室团队开发了处理超声图像并检测它们之间的任何变化的软件。NCLUS 既不需要手动压力，也不需要耦合凝胶（如接触式探头所需），也是身体部位疼痛或敏感的患者的理想选择，
Haupt 说：“NCLUS 可以对烧伤或创伤受害者、手术期间直接开放深部组织区域的患者、需要重症监护的早产儿、颈部和脊柱受伤的患者以及远距离的传染性个体进行成像。”
光致超声波
NCLUS 采用脉冲激光，通过空气将光能传输到皮肤表面，光一旦进入皮肤就会被迅速吸收。光脉冲引起瞬时局部加热，并通过热弹性过程迅速使皮肤变形，进而产生超声波，充当超声波源，这种现象称为光声学。
光脉冲产生足够的超声波功率，其频率与实践中的医疗超声波相当，同时不会对皮肤造成任何感觉。该团队为光学载波波长的选择申请了专利，其光声工艺旨在创建一致的超声波源，不受肤色或组织粗糙度的影响。
从组织内部返回的超声波回波以局部振动的形式出现在皮肤表面，由高度灵敏的专用激光多普勒振动计进行测量。
“通过适当的激光发射和接收实施，任何暴露的组织表面都可以成为可行的超声波源和探测器，”豪普特解释道。
临床操作系统的进展
2019 年，该团队 证明 NCLUS 概念验证 (GEN-1) 系统可以使用皮肤安全的激光从人体采集超声图像，这在医学界尚属首次。然而，从患者主体获取图像数据的时间很长并且对于临床实践来说是不切实际的。此外，GEN-1 系统的图像分辨率明显低于最先进的医学超声图像分辨率。
此后发生了重大的工程开发，将 NCLUS GEN-1 转变为适合临床测试的操作系统。在临床 NCLUS 系统中，激光源和接收器都被小型化，并安装在连接到便携式电枢的光学头内。脉冲和扫描的激光器比 GEN-1 系统快 500 倍，从而将整个图像数据采集时间缩短到不到一分钟。未来的 NCLUS 原型将涉及不到一秒的更快采集时间。新的临床系统还可以在比 GEN-1 系统高得多的超声波频率下运行，分辨率可低至 200 微米，与最先进的医学超声波的分辨率相当。
可移动的电枢可以实现多个自由度来观察身体的各个区域。光学头内部还有可编程快速转向镜，可自动定位源并接收激光束以精确建立超声波阵列。2D 激光雷达用于绘制患者皮肤表面地形图；高帧率短波红外相机记录激光源和接收器在皮肤上的投影位置，提供构建超声图像所需的阵列参数。皮肤表面地形测绘和激光位置记录是通过使用雀斑等自然皮肤特征来记录的。通过这种方式，建立了一个固定的参考系，用于随着时间的推移执行精确的重复扫描。
NCLUS 临床系统通过合成孔径处理生成全自动且配准的超声图像。该团队在基于凝胶的冰球上演示了该系统，该冰球的合成与控制超声波传播的人体组织（称为幻影）的机械特性相匹配。
通过赞助项目，该团队目前正在开发 NCLUS 以支持前沿军事应用。这些应用包括检测和表征器官内出血造成的危及生命的伤害；监测使人衰弱的肌肉骨骼损伤及其随时间的愈合情况；提供截肢者肢体区域的软组织和骨骼的弹性成像，以加速假肢接受腔的设计和安装。民用应用包括重症监护室的成像。借助 NCLUS，紧急医疗技术人员、护理人员和未经专门超声检查培训的医务人员或许能够在医院外（医生办公室、家里或偏远战场环境）进行超声成像。
“随着进一步发展，NCLUS 有潜力成为一项变革性技术：一种自动化、便携式超声平台，具有类似于 MRI 和 CT 的固定参考帧功能，”Samir 说。
在 NCLUS 项目的下一阶段，该团队将使用可操作的皮肤安全激光进行临床研究，以评估超声图像并将其与传统医学超声图像进行比较。如果这些研究成功，该团队将寻求临床医疗设备开发的商业资金，随后获得美国食品和药物管理局机构的批准。
这项工作由美国陆军军事作战医学研究计划资助 。人体体内测试得到了 麻省理工学院人类实验对象委员会的批准。
