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全光学成像方法可以改变微创外科手术

2017-12-23

浏览量(430)

  伦敦,2017年12月5日报道——一种光学超声波探针被开发出来,使得在微创外科手术过程中可以获得心脏组织的实时成像。该技术已成功应用于猪的微创心脏手术,能够在仪器前方观察到2.5厘米高分辨率的身体内部软组织图像。

  由伦敦大学学院(UCL)和伦敦大学玛丽皇后学院(QMUL)研究小组开发的全光超声换能器使用微型光纤导光管来产生和接收超声波。光纤被包裹在定制的临床探针中以传递可以产生超声波脉冲的短脉冲。第二光纤上的传感器可以检测由组织反射的超声波脉冲,从而提供实时的超声波影像来指导外科医生。

  

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  用锋利的内部探针(示意图和插图) 刺穿心脏隔膜进入左心房可以安全地嵌入外部探针插管内。刺穿后,扩张器外壳越过探针刺入左心房。探头包括放置于内部探针中的两个光纤,用于脉冲回波超声成像:其中一个光纤用于送出脉冲激发光到光学吸收涂层上,另一个用于接收传递来的连续光波使其进入法布里-珀罗腔。在传导光纤和接收光纤之间的声隔离是一层薄薄的金属隔膜。比例尺500微米。由Finlay等人提供。

  宽频带超声波的产生是通过光脉冲实现的,光脉冲被输送到光纤末端上的光吸收复合涂层上。位于另一根光纤末端的法布里-珀罗腔可以检测由组织反射的超声波。不同时间的深度扫描连接在一起,作为M型超声图像实时显示。

  在猪的跳动心脏内使用该探针可以提供心脏组织(深度:2.5厘米;轴向分辨率:64微米)的实时视图(扫描速率50赫兹),并揭示了安全地穿过中隔所需经过的关键解剖结构——即左右心房壁,右心耳和卵圆窝缘。

  研究人员认为,这种新技术可以使超声成像在不同的临床情况下被整合到各种各样的微创设备中,从而生成以前无法实现的身体各部位的超声图像。

  伦敦大学玛丽皇后学院(QMUL)心脏科顾问医师,该研究的联合负责人Malcolm Finlay博士说:“光学超声波探针非常适用于在微创外科手术期间使用现有方法难以看到的,那些如果忽略掉就会导致灾难性后果的小组织目标。

  自从应用以来,利用电子传感器实现了超声成像。而全光超声换能器,使用光脉冲产生超声波并接收来自组织反射的超声波,可以作为一种可行的替代方案。

  

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  针尖移动4厘米的距离可以得到二维全光学超声成像(B模式)。随着针尖从高位右心房向下腔静脉移动,在密集卵圆窝缘和托达罗腱之间的卵圆孔显示出低回声区域(ICE导管和外壳呈对角状)。同时获得了X射线荧光成像(插图)。由Finlay等人提供。

  “我们现在有了实时成像技术,这使我们能够区分位于较深处的组织,帮助指导这些过程风险最高时的状况。这将减少常规而熟练过程(例如心脏消融手术)期间出现并发症的可能性。该技术被设计与核磁共振成像(MRI)和其他现有方法完全兼容,所以它也可以用于大脑和胎儿的手术,或指导硬膜外针,”Finlay说。

  该团队开发的这种技术可以在临床中使用,确保在厘米级深度的组织移动时足够保持灵敏度,并适用于现有的临床工作流程;能够在体内工作。

  “这是首次在临床现实环境中进行全光学超声成像的示范。使用价格便宜的光纤,我们已经能够实现利用一毫米以下针尖时的高分辨率成像。我们现在希望能够在其他一些使用微创手术的临床应用中复制这一成功。”伦敦大学学院(UCL)该研究的联合首席研究员Adrien Desjardins博士说。该团队正在努力将该技术用于患者的临床使用。

  该研究发表在Light:Science&Applications杂志。


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