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現代扁鵲:超音波輔助光學成像取代內視鏡

出處 Nature 作者 劉聖哲 年份 2019/09/04
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2019年9月
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  在七月份新出爐的Springer Nature系列期刊「光:科學與應用(Light: Science & Applications)」中,卡內基美隆大學的電機與計算機工程助理教授Maysam Chamanzar與博士生Matteo Giuseppe Scopelliti共同發表一項新技術:利用超音波改變人體組織的透光率,且無須將任何光學元件插進人體,就能拍攝到身體內部器官組織的光學影像。這項技術或有可能免除使用侵入式內視鏡攝影進行檢查的需要。

  關於內視鏡原理,簡單來說就是將光線導入一條管路,讓光能夠到達管路另一端的攝影鏡頭,而使管路另一端之外的物體能被攝得,其典型結構包括:光源、透鏡、光纖及內視鏡體(工作管道、剪刀、夾子、止血器等附屬器械)。操作內視鏡時,是將一端具有光學鏡頭的細長導管,經由人體原有孔道(例如口、鼻孔、尿道等),或者人為形成管道(如腹腔鏡、胸腔鏡、關節鏡)伸入人體,以觀察體內器官,或施以手術處理可疑病灶。所以,內視鏡導管與鏡頭是以侵入人體的方式植入人體,故常導致受檢患者感到不適,或必須接受麻醉。

  現在,卡內基美隆大學的研究學者們提出新方法:利用超音波在人體內製造出「虛擬鏡片」,就不需要將真正的光學鏡片植入人體。他們將超音波精準控制得當,使光能被有效地「聚焦」在人體組織上,進而能以非侵入式的手段獲取人體內器官或組織的影像。

  Chamanzar表示:「一般來說,人體組織能夠阻擋掉大部分的光,尤其是可見光。因此,在正常的情形下,光無法從人體表面穿透照射到人體內的深處,也就無法使體內之器官或組織成像。到目前為止,若想要看到體內之器官或組織都必須使用侵入式的內視鏡。」

  然而,藉由超音波之助卻可以把光導引進出人體組織:當超音波通過人體組織形成之介質,並形成駐波時,駐波會改變組織的密度,使組織形成壓縮區與稀疏區之不同區域。與稀疏區相比,光在壓縮區的傳播速度較慢,也就是光在介質疏密不同的區域,其折射率不同,利用這樣的特性,研究人員能將人體組織變化成「光波導」,並且在目標介質製造出「虛擬鏡片」。換句話說,超音波可以直接將現有的人體組織轉化成「虛擬內視鏡」,讓深層結構的圖像得以傳導出來。如果要對不同的目標區域成像,則只需要將超音波的壓縮區與稀疏區重新配置,以移動虛擬鏡頭即可。

  Chamanzar樂觀的說:「我們的技術未來甚至能以手持式裝置或穿戴貼片的方式實現。將裝置或貼片置於皮膚上,這樣醫生就能輕易地接收人體內部的影像,而無需採用內視鏡檢查的方式了。」

相關資訊連結:https://www.sciencedaily.com/releases/2019/07/190717090342.htm

 

圖說:a.超音波使人體組織產生局部折射率的變化。b.直線光束在人體組織中會因散射而發散。c.光可以被限制在高折射率區域。實驗結果:d.超音波使雷射光束能在組織中通過。e.在沒有超音波的狀況下,雷射光束在組織中會因散射而衰減。f.超音波能使雷射光束在組織中之某處聚焦。(Source: Matteo Giuseppe Scopelliti & Maysamreza Chamanzar, DOI: 10.1038/s41377-019-0173-7)