介紹一種雙頻干涉型光纖激光超聲器傳感技術(shù)

01導(dǎo)讀

消化道內(nèi)的微循環(huán)狀態(tài)是醫(yī)學(xué)上重要生理特征，微循環(huán)狀態(tài)異常不僅與消化道炎癥、腫瘤等疾病相關(guān)，還為膿毒癥等循環(huán)障礙疾病診斷提供了重要的判斷依據(jù)。近日，暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院關(guān)柏鷗教授團隊聯(lián)合暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院、香港城市大學(xué)實現(xiàn)了一種新型內(nèi)窺鏡技術(shù)，不僅能以高空間分辨率獲得血管結(jié)構(gòu)，還能實時監(jiān)測疾病狀態(tài)下血氧飽和度分布的變化過程，為消化道微循環(huán)監(jiān)測提供了一種新的影像學(xué)手段。

02研究背景

現(xiàn)有醫(yī)用內(nèi)窺鏡僅能觀察淺層微血管結(jié)構(gòu)，但不具備血氧飽和度、血流速度等功能信息的獲取能力，難以滿足臨床需求。光聲成像是采用光學(xué)激發(fā)和超聲波探測的新型成像方式，利用脈沖激光激發(fā)生物組織產(chǎn)生超聲信號，通過超聲換能器探測超聲信號重建出生物組織圖像。利用血紅蛋白對脈沖激光的內(nèi)源性吸收，不僅能夠提供高對比度的血管圖像，還能實現(xiàn)血氧飽和度的量化表征。

傳統(tǒng)上采用壓電換能器探測超聲信號，由于壓電換能器存在尺寸與靈敏度之間制約關(guān)系，當(dāng)用于內(nèi)窺成像時，因尺寸受限而無法提供足夠的探測靈敏度。 光纖超聲傳感器不僅尺寸小巧，而且可柔性彎曲，是內(nèi)窺超聲探測的理想工具。然而，如何獲得足夠的超聲響應(yīng)靈敏度，以滿足極微弱光聲信號的探測要求，實現(xiàn)高質(zhì)量的光聲成像效果，依然是一個挑戰(zhàn)。

03創(chuàng)新研究

3.1高性能光纖超聲傳感器

暨南大學(xué)關(guān)柏鷗教授團隊在國際上首創(chuàng)了雙頻干涉型光纖激光超聲器傳感技術(shù)，以小型化雙頻光纖光柵激光器為傳感單元，將超聲信號轉(zhuǎn)換為激光頻率變化，并以光外差探測方式實現(xiàn)信號讀出。關(guān)柏鷗團隊圍繞著該技術(shù)精耕細作十余載，解決了毫米級腔長雙頻光纖激光器制作、超聲響應(yīng)調(diào)控、超感器噪聲抑制等一系列科學(xué)與技術(shù)問題，不僅將傳感器靈敏度提升至比同尺寸壓電傳感器高出兩個數(shù)量級，而且實現(xiàn)了可靠、能用、好用。傳感器能夠在快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下穩(wěn)定工作，使得高性能光聲內(nèi)窺鏡成為可能。

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圖2 大鼠直腸內(nèi)不同位置處的光聲內(nèi)窺成像結(jié)果。右側(cè)第一列：血紅蛋白濃度；右側(cè)第二列：深度信息；右側(cè)第三列：血氧飽和度。

3.2光聲內(nèi)窺成像

光聲內(nèi)窺鏡探頭直徑僅2毫米。探頭內(nèi)有兩根光纖，其中一根用于引導(dǎo)脈沖激光激發(fā)目標(biāo)組織，另一根光纖為高靈敏度超聲傳感器，用于探測生物組織發(fā)出的超聲信號。研究團隊展示了大鼠直腸內(nèi)窺成像結(jié)果（圖2）。成像結(jié)果清晰地展示了動靜脈分布，發(fā)現(xiàn)不同位置腸道的血管形態(tài)與血氧飽和度具有不同的分布特征。

團隊進一步對急性炎癥狀態(tài)下的腸道血管微循環(huán)進行了連續(xù)成像，以高空間分辨率觀察了血液動力學(xué)過程（圖3）。成像結(jié)果表明，在炎癥發(fā)生后的90分鐘內(nèi)，腸道壁的血管發(fā)生充血效應(yīng)，血管密度和血紅蛋白濃度均有所增加。更為重要的是，該技術(shù)能夠反映出目標(biāo)區(qū)域內(nèi)血氧飽和度的變化過程。

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圖3急性炎癥下光聲內(nèi)窺成像結(jié)果。(a)光聲成像結(jié)果；（b）統(tǒng)計表明炎癥狀態(tài)下的血氧飽和度發(fā)生顯著提升；（c）炎癥狀態(tài)下血紅蛋白濃度、血氧飽和度和血管密度等指標(biāo)均有不同程度的變化，其中血氧飽和度變化更具顯著性。

04應(yīng)用與展望

該技術(shù)為消化道內(nèi)微循環(huán)監(jiān)測提供了新的影像學(xué)手段，具有重要的臨床應(yīng)用價值。這種小尺寸光聲成像探頭有望通過現(xiàn)有醫(yī)用內(nèi)窺成像器械所提供的內(nèi)部通道進入病人體內(nèi)進行病灶檢查。對于消化道疾病診斷來說，該技術(shù)有望幫助對早期癌變與良性腫瘤進行區(qū)分，并確定癌變與健康組織的邊界。






審核編輯：劉清