Optical components offer extra flexibility in ultrasound applications / I componenti ottici offrono una flessibilità extra nelle applicazioni a ultrasuoni

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

A new ultrasound system that uses optical components rather than electronic components could give doctors more flexibility in how they use ultrasound.

In Biomedical Optics Express researchers in the UK demonstrate the use of an all-optical ultrasound imager for video-rate, real-time 2D imaging of biological tissue. The achievement is said to be an important step toward making all-optical ultrasound practical for routine clinical use.

Because they require no electronic components in the imaging probe, all-optical ultrasound systems could be used simultaneously with magnetic resonance imaging (MRI) scanners, giving doctors a more comprehensive picture of the tissues around an area of interest.

“All-optical ultrasound imaging probes have the potential to revolutionise image-guided interventions,” said Erwin J Alles, from University College London’s faculty of engineering science. “A lack of electronics and the resulting MRI compatibility will allow for true multimodality image guidance, with probes that are potentially just a fraction of the cost of conventional electronic counterparts.”

Light beam scanning mirrors built into the device are said to increase image quality and make it possible to acquire images in different modes. According to UCL, this would allow doctors to rapidly toggle between modes on a single instrument. Acquiring different types of images using conventional ultrasound systems typically require separate specialised probes.

“The flexibility offered by the scanning mirrors will allow for seamless switching between 2D and 3D imaging, as well as a dynamically adjustable trade-off between image resolution and penetration depth, without the need to swap imaging probe,” said Alles. “Especially in a minimally invasive interventional setting, swapping imaging probes is highly disruptive, extends procedure times and introduces risks to the patient.”

Conventional ultrasound imagers use arrays of electronic transducers to transmit high-frequency sound waves into tissue and receive the reflections. A computer then constructs images of the tissue.

By contrast, all-optical ultrasound imagers use light to transmit and receive ultrasound waves. Pulsed laser light is used to generate ultrasound waves, and scanning mirrors control where the waves are transmitted into the tissue. A fibre optic sensor receives the reflected waves.

The electronic components of conventional ultrasound devices make them difficult to miniaturise for internal use, so most existing ultrasound devices are large, handheld probes that are placed against the skin. While some high-resolution minimally invasive ultrasound probes have been developed, they are too expensive for routine clinical use. Optical components are easily miniaturised and tiny all-optical ultrasound probes would likely be significantly less expensive to manufacture.

To generate images, an all-optical ultrasound system must acquire data from multiple optical source locations, combine them together and then create a visualisation that reconstructs the area being imaged.

Researchers have previously demonstrated using all-optical ultrasound to generate high-quality 2D and 3D images, but acquiring the images took hours, making these devices too slow to be used in a clinical setting. The new demonstration is the first to acquire and display images with all-optical ultrasound at video rates.

“Through the combination of a new imaging paradigm, new optical ultrasound generating materials, optimised ultrasound source geometries and a highly sensitive fibre-optic ultrasound detector, we achieved image frame rates that were up to three orders of magnitude faster than the current state-of-the-art,” said Alles.

The team tested their prototype system by imaging a deceased zebrafish, as well as a pig artery that they manipulated to emulate the dynamics of pulsing blood. The demonstration showed imaging capabilities comparable to an electronic high-frequency ultrasound system, with a sustained frame rate of 15Hz, a dynamic range of 30db, a penetration depth of 6mm and a resolution of 75 by 100μm.

To adapt the technology for clinical use, the researchers are working to develop a long, flexible imaging probe for free-hand operation, as well as miniaturised versions for endoscopic applications.

ITALIANO

Un nuovo sistema a ultrasuoni che utilizza componenti ottici piuttosto che componenti elettronici potrebbe offrire ai medici maggiore flessibilità nel modo in cui utilizzano gli ultrasuoni.

I ricercatori di Biomedical Optics Express nel Regno Unito dimostrano l'uso di un imager ad ultrasuoni completamente ottico per l'imaging 2D in tempo reale a video velocità del tessuto biologico. Si ritiene che il risultato sia un passo importante verso la realizzazione pratica degli ultrasuoni tutto-ottici per l'uso clinico di routine.

Poiché non richiedono componenti elettronici nella sonda di imaging, i sistemi a ultrasuoni completamente ottici potrebbero essere utilizzati simultaneamente con gli scanner a risonanza magnetica (MRI), offrendo ai medici un quadro più completo dei tessuti attorno a un'area di interesse.

"Le sonde per l'imaging a ultrasuoni hanno il potenziale per rivoluzionare gli interventi guidati dalle immagini", ha affermato Erwin J Alles, della facoltà di ingegneria della University College di Londra. "La mancanza di elettronica e la risultante compatibilità MRI consentiranno una vera guida d'immagine multimodale, con sonde che sono potenzialmente solo una frazione del costo delle controparti elettroniche convenzionali".

Si dice che gli specchi di scansione del raggio luminoso integrati nel dispositivo aumentino la qualità dell'immagine e consentano di acquisire immagini in diverse modalità. Secondo la UCL, ciò consentirebbe ai medici di passare rapidamente da una modalità all'altra di un singolo strumento. L'acquisizione di diversi tipi di immagini utilizzando sistemi ad ultrasuoni convenzionali richiede tipicamente sonde specializzate separate.

"La flessibilità offerta dagli specchi di scansione consentirà il passaggio senza soluzione di continuità tra l'imaging 2D e 3D, nonché un compromesso regolabile dinamicamente tra risoluzione dell'immagine e profondità di penetrazione, senza la necessità di scambiare la sonda di imaging", ha affermato Alles. "Soprattutto in un setting interventistico minimamente invasivo, lo scambio delle sonde di imaging è altamente dirompente, allunga i tempi della procedura e introduce rischi per il paziente."

Gli ecografi convenzionali utilizzano matrici di trasduttori elettronici per trasmettere onde sonore ad alta frequenza nel tessuto e ricevere i riflessi. Un computer quindi costruisce immagini del tessuto.

Al contrario, gli imager ad ultrasuoni ottici utilizzano la luce per trasmettere e ricevere onde ultrasoniche. La luce laser pulsata viene utilizzata per generare onde ultrasoniche e gli specchi di scansione controllano dove le onde vengono trasmesse nel tessuto. Un sensore a fibra ottica riceve le onde riflesse.

I componenti elettronici dei dispositivi a ultrasuoni convenzionali rendono difficile la miniaturizzazione per uso interno, quindi la maggior parte degli apparecchi a ultrasuoni esistenti sono sonde portatili e di grandi dimensioni posizionate contro la pelle. Mentre sono state sviluppate alcune sonde ad ultrasuoni mini-invasive ad alta risoluzione, sono troppo costose per l'uso clinico di routine. I componenti ottici sono facilmente miniaturizzati e le minuscole sonde a ultrasuoni completamente ottici sarebbero probabilmente meno costose da produrre.

Per generare immagini, un sistema a ultrasuoni completamente ottico deve acquisire dati da più posizioni di sorgenti ottiche, combinarli insieme e quindi creare una visualizzazione che ricostruisca l'area che si sta visualizzando.

I ricercatori hanno precedentemente dimostrato utilizzando gli ultrasuoni completamente ottici per generare immagini 2D e 3D di alta qualità, ma l'acquisizione delle immagini ha richiesto ore, rendendo questi dispositivi troppo lenti per essere utilizzati in ambito clinico. La nuova dimostrazione è la prima ad acquisire e visualizzare immagini con ultrasuoni completamente ottici a velocità video.

"Attraverso la combinazione di un nuovo paradigma di imaging, nuovi materiali generatori di ultrasuoni ottici, geometrie di sorgenti di ultrasuoni ottimizzate e un rilevatore di ultrasuoni in fibra ottica altamente sensibile, abbiamo raggiunto velocità di fotogrammi dell'immagine fino a tre ordini di grandezza più veloci rispetto allo stato attuale di -la-arte, "disse Alles.

Il gruppo ha testato il loro sistema prototipo mediante l'imaging di un pesce zebra defunto, così come un'arteria di maiale che hanno manipolato per emulare la dinamica del sangue pulsante. La dimostrazione ha mostrato capacità di imaging paragonabili a un sistema di ultrasuoni ad alta frequenza elettronico, con una frequenza di fotogrammi sostenuta di 15 Hz, una gamma dinamica di 30 db, una profondità di penetrazione di 6 mm e una risoluzione di 75 per 100μm.

Per adattare la tecnologia all'uso clinico, i ricercatori stanno lavorando per sviluppare una sonda di imaging lunga e flessibile per il funzionamento a mano libera, nonché versioni miniaturizzate per applicazioni endoscopiche.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/optical-components-ultrasounds/?cmpid=tenews_5618563&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79