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脉冲激光二极管推动光声成像技术的临床应用

发布:HPLSElaser阅读:3068时间:2017-10-13 11:40:41

每年关于研究光声成像(PAI)技术的会议论文多达数百篇,已被证明对皮肤与甲状腺癌、心血管疾病以及关节炎等其他疾病具有早期诊断的能力。这种无创技术使用脉冲激光和超声波传感器作为诊断设备。PAI技术的渗透能力比纯光学成像技术如光学相干断层扫描更强,还拥有比传统超声成像更多的特异性。


图1,集成了四波段激光二极管源的手持PAI医疗系统概念图。图片来源:法国光太激光公司(Quantel Laser)、意大利百胜医疗集团(Esaote)及荷兰特温特大学(the University of Twente)。

PAI将根据吸收体的光谱特性选择性吸收不同波长的光。其中,由于近红外波长范围的光对血红蛋白的强吸收性以及对水的弱吸收性,将表现出高电位并使得血管的视觉化深度达到数厘米。根据氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白不同的光谱特性,利用多波段的激光入射能够量化血液的含氧量。

然而,由于激光源的大体积以及高成本使PAI的临床应用受到了阻碍。在过去的几年中,激光二极管的研究取得了重大进展,其性能非常适用于光声技术的使用,大大提高了其便携性而且降低了成本。

便携式成像系统具有诸多优势:简化医院工作流程、各科室之间轻松共享、有助于降低医疗费用以及为无法直接面见的病人进行诊断,例如在家中治疗或资源匮乏地区的患者。

PAI中最重要的组成部分之一为需要达到高渗透深度的激光光源。在光声技术中,激光根据其发射波长的吸收系数µa被特定的发色团吸收。这个过程将导致局部温度升高,后转化为热膨胀,并形成主要频率为超声波的机械波。在光吸收位置产生的初始压力可用以下方程式表示,其中Γ为随温度升高而增加的格林爱森(Grüneisen)参数,F(r)为局部光通量。

由于传感器记录的超声信号的振幅与初始压力成正比,PAI设备的灵敏度主要取决于吸收器所接收的局部光通量。人体组织通过设备时,由于光的吸收与散射,光通量将大大降低。因此,光源初始峰值功率在PAI系统的最终性能中起到关键作用,通常高于数十千瓦的峰值功率才可获得通常大于2cm的血管深度图像。

使用纳秒脉冲激光系统即可产生该功率水平的激光,其产生的短脉冲持续时间符合激光安全条例,因为病患的皮肤无法长时间暴露于激光下。此外,通过优化超声波传感器中心频率和带宽的脉冲持续时间,则可获得高分辨率图像。使用高频超声波传感器识别最小的特征时仍需要非常短的脉冲持续时间。

设备小型化

PAI使用的传统激光源为光学参量振荡器(OPOs),能够在特定波长下产生上万个短于10 ns的脉冲。由于心脏跳动,运动中的组织体内成像通常具有脉冲重复率限制的问题。最新研发的二极管泵浦激光系统能够发射频率在100Hz至200Hz之间的激光脉冲,提高了图像重构的精确率。但这种激光器不符合便携PAI系统的要求,因此无法广泛使用于临床应用。钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)激光器则提供了一种更经济的选择,但其固定波长(1064nm或532nm)极大地限制了其应用。

另一种选择为激光二极管,其半导体激光器可靠性高、结构紧凑、成本低。由于其电光转换效率高,通常为25%至30%,激光二极管同样能够集成到低发热量的手持设备中。然而,在纳秒脉冲状态下操控大功率激光二极管并不是一件容易的事情,因为必须在非常短的脉冲下获得数千安培的电流才不会产生大量的余热。根据法国Quantel Laser公司的最新研究,目前允许在PAI系统中加入合适的脉冲激光二极管源。

大约五年前,PAI的第一台脉冲激光二极管示波器在808nm波长下以150ns的脉冲提供大约100 µJ的能量,其峰值功率为15kW。在此后的研究中已将峰值功率提高至100kW。

首先使用高效率半导体激光二极管增加输出能量,然后通过最小化二极管与驱动板之间接触点和布线的多余自电感以减少脉冲持续时间。同时优化电路以使得负面影响降低至可接受的水平。

研究人员于2015年以130ns的脉冲、60kW的峰值功率输出8mJ的能量。此种水平的能量可通过集成到小型装置中的四个小型激光二极管产生。这些二极管可独自工作也可同时运转,且能够产生不同的波长。这种多波长激光二极管能够集成至手持光声探头中(见图1)。

该种多波长激光二极管的标准波长为808nm、915nm、940nm及980nm。由于其半导体材料的高效性,该装置能够记录类似的高输出能量。氧合血红蛋白可以在大于900nm的波长下识别,而脱氧血红蛋白则大量吸收700nm至800nm范围内的波长,760nm和808nm的波长可明确显示血红蛋白的降低,由于半导体的结构,在808nm处二极管的输出能量高于760nm处的输出能量(见图2)。


图2,将激光二极管的选定波长与组织内典型发色团的近红外吸收光谱进行比较:氧合血红蛋白(HbO2)、脱氧血红蛋白(HHb) (cHbO2 = cHHb = 150 g.L-1)以及水。数据来源:Laufer等,《物理医学杂志》52卷141至168页。图片来源:Quantel Laser。

激光二极管的最新研究中已获得短至30ns的脉冲,与最先进的电子驱动板相比低10ns。所有的模块在数千赫兹频率下的电光转换效率均高于25%。基于此项专利技术,Quantel Laser旨在组合多个模块,以在短脉冲和多波长发射下获得毫焦耳级别的能量。

基于激光二极管的PAI系统目前已成功应用于肿瘤学、风湿病以及心血管疾病的诊断中。以下为三个相关的例子。

肿瘤学应用

PAI与光声成像技术(PAT)在肿瘤学方面进行了广泛的研究。在疾病的早期阶段,肿块高度血管化,光声学能够通过对血管的检查和量化诊断出某些处于早期阶段的癌症。第一台光声乳腺放射成像医疗系统集成了传统纳秒激光器,并引入乳腺肿瘤功能特征研究的临床试验中,包括肿瘤的微血管分布模式以及血氧水平。

PAI也可用于其他肿瘤学领域,例如甲状腺癌和皮肤癌等。在脑瘤的声光成像中,头骨对光的强吸收性和散射以及超声波的衰减和扭曲均成为研究中需要克服的问题。目前该研究已用于对小型动物脑部成像。新加坡南洋理工大学的Manojit Pramanik在研究中使用Quantel公司频率为7kHz的激光二极管,在临床光声层析成像系统中表现出结构紧凑和扫描快速的优势。该实验设备使用一个单元素的超声波传感器在几秒内进行360度扫描,若使用传统的低频纳秒激光源(图3)则需大约5分钟的扫描时间。


图3,重93g的雌性鼠脑脉管系统的无创激光二极管光声成像。图a为去除头皮后的鼠脑照片(扫描时间30s).图b中SS表示矢状窦,TS表示横窦,CV表示脑静脉。图片来源:新加坡南洋理工大学。

风湿病

PAI系统还能使用于风湿关节炎以及手指关节炎的诊断。研究表明,在疾病早期阶段(通常为发病后一至三个月)进行治疗更有效。早期的诊断与治疗将通过减缓关节腐蚀速度以控制病情的发展。然而,疾病早期阶段的诊断主要是基于对患者的临床检查。患者会感受到模糊的疼痛,但没有关节肿胀或压痛等典型症状。通过PAI系统检查血管能够对关节炎进行量化,即使只有轻微的关节炎症状。由荷兰特温特大学Wiendelt Steenbergen带领的生物医学光子成像研究小组演示了一种小型手持激光二极管PAI设备。该小组由欧洲项目组Fullphase资助,并在一项小型临床研究中使用了该系统(10名类风湿性关节炎患者以及7名健康受试者),其结果显示了光声信号振幅与滑膜炎症程度之间良好的相关性。该研究中还包括与常规诊断技术(例如能量多普特超声波)之间的比较,以及由风湿病专家实施的临床检查。

心血管疾病

PAI系统还能够通过确定成熟的颈动脉粥样硬化是否易破裂来诊断动脉硬化。当颈动脉粥样硬化破裂时,进入血液中的病变因素可能会引发中风。提升诊断准确性以及风险评估能够减小中风的概率,也能够避免病情已稳定的患者不需要的手术。


图4,动脉粥样硬化基于二极管的光声成像。图a为组织切片图片,图b为叠加的光声图像和超声图像中对应的横截面。灰色区域表示超声信号,重叠的红色区域表示组织图片中的血液含量,以及叠加的光声图像和超声图像中对应的光声信号。图片来源:荷兰埃因霍温大学。

荷兰埃因霍温大学已使用光声技术演示了颈动脉粥样硬化内出血的体外成像。最近,由Richard Lopata领导的生物医学工程系的研究显示组织切片的直观出血位置与激光二极管在808nm处的光声信号之间具有良好的相关性。这些令人兴奋的结果是体内PAI成像研究的第一步,也是Horizon 2020项目中名为CVENT(2016-2019)的下一步,其中包含10位来自欧洲的合作伙伴(包括Quantel公司)。

来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62350&PID=1&VID=142&IID=968

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