レーザベースシステム、非接触医療超音波イメージング達成

September, 21, 2023, Cambridge--非接触レーザ超音波は、MRIやCTに匹敵する機能を提供するが、自動化されたポータブルプラットフォームで、大幅に低コストである。
マサチューセッツ総合病院(MGH)超音波研究移転センタ(CURT)のMITリンカーン研究所の研究者とその共同研究者は、新しい医用画像装置、非接触レーザ超音波(NCLUS)を開発した。このレーザベースの超音波システムにより、臓器、脂肪、筋肉、腱、血管などの体の内部の特徴の画像が得られる。このシステムは骨強度も測定し、時間の経過とともに疾患の病期を追跡する可能性がある。

「われわれの特許取得済みの皮膚に安全なレーザシステムのコンセプトは、従来の接触プローブに関連する制限を克服することにより、医療用超音波を変革しようとしている。」と、リンカーン研究所のアクティブオプティカルシステムグループの上級スタッフ、主任研究者のRobert Hauptは説明している。
同氏とシニアスタッフのCharles Wynnはその技術の共同発明者であり、アシスタントグループリーダー、Matthew StoweがNCLUSプログラムの技術的リーダーシップと監督している。

実際の医療用超音波
医師が超音波をオーダーすると、高度な訓練を受けた超音波検査技師が、ハンドヘルドデバイスにセットされたトランスデューサのアレイを体に押し付けて操作することが予期できる。超音波検査技師がトランスデューサプローブを皮膚全体に押し込むと、高周波音波(超音波)が体組織を貫通して伝播し、様々な組織構造や特徴に「反響」する。これらのエコーは、体の奥深くにある脂肪、筋肉、臓器、血管、骨からの音響インピーダンス、つまり組織強度(組織の柔らかさ、または剛性)の変化から現れる。プローブは戻ってきたエコーを受信し、身体の内部特徴の表現画像に組み立てられる。特殊な処理スキーム(合成開口処理)を使用して、組織の特徴の形状を2Dまたは3Dで構築し、これらの構造をコンピュータのモニタにリアルタイム表示する。

超音波を使用すると、医師は体内を非侵襲的に「見る」ことができ、多様な組織とその形状を画像化できる。超音波はまた、動脈や静脈を通る血流を測定することができ、組織や臓器の機械的特性(エラストグラフィ)を示すことができる。超音波は、様々な健康状態、病気、怪我を評価および診断するのを支援するために、医師が日常的に使用している。たとえば、超音波を使用して、発育中の胎児の解剖学的構造を画像化し、腫瘍を検出し、心臓弁の狭窄または漏出の程度を測定することができる。iPhoneのハンドヘルドデバイスからカートベースのシステムに至るまで、超音波は携帯性が高く、比較的安価であり、ポイントオブケアや遠隔地の設定で広く使用されている。

超音波の限界
最先端の医療用超音波システムは、数㎜以内で組織の特徴を解像できるが、この技術にはいくつかの制限がある。超音波検査技師が体内への最良の観察窓を得るためにプローブをフリーハンドで操作すると、イメージングエラーが発生する。すなわち、超音波検査技師が感触によってプローブに圧力を加えると、プローブが接触する局所組織をランダムに圧縮し、超音波の進行経路に影響を与える組織特性に予測不可能な変化を引き起こす。この圧縮は、予測不可能性により組織の特徴画像を歪める、つまり特徴の形状が正確にプロットされないと言うことである。さらに、プローブを少しでも傾けると、画像ビューの角度面が変化し、画像が歪んで、特徴が体内のどこにあるかが不確実になる。

画像の歪みと位置基準の不確実性は極めて重要であるため、超音波では、たとえば、腫瘍が大きくなっているか小さくなっているか、腫瘍が宿主組織のどこにあるかを正確に解像することができない。さらに、特徴のサイズ、形状、位置の不確実性は、同じ超音波検査者がステップを遡って調べようとしている場合でも、繰り返し測定すると変化する。オペレータの変動性と呼ばれるこの不確実性は、異なる超音波検査者が同じ測定を試みるとより深刻になり、オペレータ間の変動性につながる。これらの欠点のために、超音波は癌性腫瘍および他の病状を追跡することから制限されることが多い。代わりに、磁気共鳴画像法(MRI)やコンピュータ断層撮影(CT)などの方法は、コストが大幅に高く、システムサイズと複雑さが大きく、放射線リスクが課せられている場合でも、病気がどのように進行するかを追跡することが義務付けられている。

「変動性は何十年にもわたって医療用超音波の主要な制限となっていた」と、MGH放射線科の画像科学の副議長であり、CURTディレクタ、Anthony Samirは話している。同氏とMGH CURTの同僚、Kai ThomeniusとMarko Jakolvejicは、従来の超音波装置に関する重要な医療経験、技術的専門知識、およびガイダンスを実験室チームに提供し、NCLUSシステム開発で彼らと協力している。

NCLUSは、超音波画像を取得するプロセスを完全に自動化することにより、超音波検査技師の必要性を減らし、オペレータのばらつきを軽減する可能性がある。レーザの位置決めを正確に再現できるため、繰り返し測定によるばらつきがなくなる。測定は非接触であるため、局所的な組織圧迫やそれに関連する画像特徴への歪みは発生しない。さらに、MRIやCTと同様に、NCLUSはスキンマーカを使用して固定参照フレーム機能を提供し、経時的に繰り返しスキャンを再現および比較する。このような追跡機能をサポートするために、研究室チームは超音波画像を処理し、それらの間の変化を検出するソフトウェアを開発した。NCLUSは、手動の圧力やカップリングゲル(コンタクトプローブで必要とされる)を必要としないため、痛みを伴う、または敏感な身体領域、脆弱な状態、または感染のリスクがある患者にも理想的である。

「NCLUSは、火傷や外傷の犠牲者、手術中に深部組織領域が開いている患者、集中治療を必要とする未熟児、首や脊椎の損傷のある患者、伝染性の個人をスタンドオフ距離から画像化できる」(Haupt)。

光誘起超音波
NCLUSは、光エネルギーを空気を介して皮膚表面に伝達するパルスレーザを採用しており、そこで光は皮膚に急速に吸収される。光パルスは瞬間的に局所的加熱を引き起こし、熱弾性プロセスによって皮膚を急速に変形させ、超音波を発生させて超音波源として作用する—光音響と呼ばれる現象である。

光パルスは、皮膚に感覚を引き起こさずに、実際の医療用超音波に匹敵する周波数で十分な超音波パワーを生み出す。チームは、皮膚の色や組織の粗さに関係なく、一貫した超音波源を作成するように設計された光音響プロセスを使用して、光キャリア波長の選択の特許を取得しました。

組織内部から戻ってくる超音波エコーは、局所的な振動として皮膚表面に現れ、高感度の特殊なレーザドップラー振動計によって測定される。

「適切なレーザ送受信の実装により、露出した組織表面は実行可能な超音波源および検出器になることができる」(Haupt)。

臨床運用体制への進化
2019年、チームは、NCLUSの概念実証(GEN-1)システムが、医学界で初めて、皮膚に安全なレーザを使用して人間の被験者から超音波画像を取得できることを実証した。しかし、患者被験者から画像データを取得するまでの時間は長く、臨床現場には実用的ではなかった。さらに、GEN-1システムの画像解像度は、最先端の医療用超音波よりも大幅に低かった。

それ以来、NCLUS GEN-1を臨床試験に適した運用システムに移行するための重要なエンジニアリング開発が行われた。臨床NCLUSシステムでは、レーザ光源と受信機の両方が小型化され、ポータブルアーマチュアに取り付けられた光学ヘッド内に収容されている。パルスとスキャンを行うレーザは、GEN-1システムのレーザよりも500倍高速であるため、画像データの取得時間全体は1分未満に短縮可能。将来のNCLUSプロトタイプでは、1秒未満のより高速な取得時間が必要になる。新しい臨床システムは、GEN-1システムよりもはるかに高い超音波周波数で動作し、最先端の医療用超音波の解像度に匹敵する200µmまでの分解能が可能になる。

可動アーマチュアにより、体のさまざまな領域を多くの自由度で見ることができる。光学ヘッドの内部には、プログラム可能な高速ステアリングミラーもあり、ソースを自動的に配置し、レーザビームを受信して超音波アレイを正確に確立する。2D LIDAR は、患者の皮膚表面トポグラフィをマッピングするために使用される。高フレームレートの短波赤外線カメラは、皮膚上のレーザ光源と受信機の投影位置を記録し、超音波画像の構築に必要なアレイパラメータを提供。皮膚表面のトポグラフィーマッピングとレーザ位置の記録は、そばかすなどの自然な皮膚の特徴を使用して登録される。こうして、時間の経過とともに正確な繰り返しスキャンを実行するための固定参照フレームが確立される。

NCLUS臨床システムは、合成開口処理を介して完全に自動化され、登録済みの超音波画像を生成する。チームは、超音波の伝播を制御する人間の組織(ファントムと呼ばれる)の機械的特性に一致するように合成されたゲルベースのパックでこのシステムを実証した。

スポンサー付きプログラムを通じて、チームは現在、フィールドフォワード軍事アプリケーションをサポートするためのNCLUSを開発している。これらのアプリケーションには、臓器の内出血による生命を脅かす損傷の検出と特性評価が含まれる。衰弱させる筋骨格系の損傷とその治癒を経時的にモニタする。切断された四肢領域の軟部組織と骨のエラストグラフィ画像を提供して、補綴ソケットの設計と取り付けを加速する。民間のアプリケーションには、集中治療室でのイメージングが含まれる。NCLUSを使用すると、専門的な超音波検査トレーニングを受けていない救急医療技術者、救急隊員、および医療スタッフは、病院の外、つまり診療所、自宅、または遠隔地の戦場で超音波イメージングを実行できる場合がある。

「さらなる開発により、NCLUSは変革的な技術になる可能性を秘めている。MRIやCTと同様の固定基準フレーム機能を備えた自動化されたポータブル超音波プラットフォームである」とSamirはコメントしている。

NCLUSプログラムの次のフェーズでは、チームは、超音波画像を評価し、従来の医療用超音波画像と比較するために、操作可能な皮膚に安全なレーザを使用した臨床研究を追求する。これらの研究が成功した場合、チームは臨床医療機器開発のための商業資金を求め、その後米国食品医薬品局(FDA)の承認を得る。

(詳細は、https://news.mit.edu/)