美国研究人员借助超声波实现新型内窥镜成像

如今，内窥镜成像已经变得非常灵活和小型化，但是，特别是当试图对复杂和精致的重要器官（例如大脑）进行成像时，将摄像机插入人体仍然是侵入性的并且具有风险的操作。

美国卡内基梅隆大学的研究人员已经介绍了他们研发出一种内窥镜检查的非侵入性替代方案（Light Sci.Appl。，DOI：10.1038 / s41377-019-0173-7）。该技术采用超声技术在生物组织中雕刻虚拟中继透镜，且研究人员迄今为止仅在实验室中测试了非生物组织类似物。该方案中的虚拟透镜将光聚焦在其他充当散射体的组织内，并允许使用来自身体外部的光源对器官进行光学成像。

浑浊的路障

基于光的成像对医学来说是一个巨大的福音，例如，暴露于可见光，紫外光和红外光的成像比X射线成像更安全。然而，生物组织是混浊的介质，生物颗粒会散射大部分光，尤其是在光谱的可见光范围内。这对于光学成像来说是一个障碍，并且限制了人体内光学成像技术的深度和分辨率，特别是随着光强度的增加可能导致组织的光热损伤以及背景噪声的上升。对于深部组织成像，医生目前依靠手术植入的相机探头或内窥镜来了解表面下方的真实情况。这种微型内窥镜依赖于渐变折射率（GRIN）透镜将图像传递给临床医生。由于内窥镜是可植入的，它们可以在所需深度保持最佳强度和分辨率，但是它们具有有限的移动性并且甚至可以引起炎症。

虽然这种物理GRIN镜头设置为内窥镜检查提供了深层组织光学成像的支持，但卡内基梅隆团队中学生Matteo Giuseppe Scopelliti认为，他已经找到了一种在身体内部创建“虚拟GRIN镜头”的方法，其完全绕过了侵入范围。因此，该方法实际上将生物组织的浑浊从敌人转变为盟友。

雕刻虚拟镜头

超声成像通过使用声波产生原位图像来工作。当这些波穿过介质时，它们可以压缩以及稀释介质。研究人员意识到由于光线在压缩区域的传播速度比在稀释区域的传播速度慢，当光线穿过人体时，可以利用超声波的这种效应来控制光速，从而在目标区域产生透明度，并允许更多的光线穿透照射到目标区域——实际上实现了虚拟镜头的雕刻。

据该团队称，这种方法与其他声光方法不同，因为光被生物组织本身调制。因此，光子受到限制及目标介质的中继。与内窥镜的有限移动性相比，Chamanzar实验室开发的虚拟镜片可以通过超声波雕刻和动态重新配置，将光线聚焦在组织内，并在非侵入性地对不同深度的不同区域进行成像。

该方案利用压电传感器发射超声波，在被成像的介质中产生压力波。当压力波通过介质传播时，它们调制其密度并因此调节其局部折射率，从而产生沿径向方向变化的折射率分布。高压，高密度区域被压缩，负压，低密度区域变稀薄，从而产生渐变的折射率分布。该过程反过来建立调制的相位前光，将光束聚焦通过超声波创建的虚拟GRIN透镜。

使用新技术进行神经成像的未来可穿戴表面贴片概念图。

幻影组织示范

在演示中，Chamanzar和Scopelliti建立了一种装置，其中以超声频率（832 kHz）调制的650nm激光通过“幻影组织”介质（光学厚度= 5.7 MFP）中的圆柱形压电传感器。研究人员将一个29毫米深的荧光靶浸入培养基中。以832 kHz的振幅驱动超声波，振幅为46.3 V，压力波在超声波腔内产生所需的折射率分布，将光束聚焦在介质中，并有效地将图像通过介质传递并用外部显微镜解析。且通过改变超声强度，频率和模式，Chamanzar和Scopelliti能够调整图像的质量以及这些实验中的穿透深度。

在生物医学领域，研究人员设想将这种技术应用于手持式超声设备或皮肤上的可穿戴贴片。他们认为，声光成像技术对于监测神经活动和诊断皮肤病和恶性肿瘤特别有用。该技术也可以成为临床研究的福音，即通过使用超声波设备监测大鼠的大脑活动，例如，研究人员可能会获得有关帕金森病或癫痫等疾病的宝贵细节。

除生物医学应用外，该技术还可用于机器视觉，计量学和各种其他工业应用中的光学成像。