2019-02-14 02:12:01
光和声测量深层组织的温度

测量发烧通常非常简单:将温度计放在患者的舌头下,并在30秒内获得准确的温度读数。但是,当测量体内深处特定组织的温度时,这种简单性并没有转化。

杜克大学的生物医学工程师已经证明了光声成像如何比现有技术更快,更准确地获取深层组织的温度。预计这一发现将在推进基于热疗的治疗癌症方面发挥重要作用。该研究于2月12日刊登在Optica杂志上。

跟踪内部组织的温度对于许多癌症的生物医学研究和热疗法是必不可少的,通常会影响治疗的效率或副作用。

“如果我们使用MRI或超声检查,我们会考虑相对温度并在假设患者的基线温度为98华氏度的情况下进行操作,但情况并非如此,”生物医学工程助理教授姚俊杰说。在杜克。 “我们找到了一种通过使用光声成像来探测组织的热记忆来测量绝对温度的方法。”

顾名思义,光声成像使研究人员能够将光和声的特性结合起来。这种技术允许研究人员将光束通过组织转换成超声波,然后进行分析以创建高分辨率图像。

“这基本上是在一个纳秒的时间内将一秒钟的阳光照射在一个指甲区域的阳光下,”姚明说,他已经使用这项技术近十年了。 “当激光撞击一个细胞时,能量会使它加热一点点并立即膨胀,形成一个超声波。它类似于敲击铃声使它响起。”

姚明表示,研究人员希望使用光声成像技术长时间测量温度,但他们一直都遇到技术障碍。

“光与声之间的转换效率取决于温度,因此我们知道可以通过聆听由光产生的声波来测量温度,”姚说。 “然而,我们以前无法测量绝对温度,因为该过程本身需要知道有多少光子到达组织,这在技术上具有挑战性。”

为了解决这些缺失的信息,姚明正在与机械工程和材料科学系教授裴忠合作,他使用高强度聚焦超声(HIFU)生成深层组织加热。他们的团队设计了一种名为基于热能记忆的光声测温法或TEMPT的新方法,该方法使用光声成像来测量组织的“热记忆”。

通过TEMPT,研究人员在用一连串纳秒级激光脉冲轰击组织之前先获取基线温度读数。脉冲暂时增加组织的温度,然后使用另一个光声脉冲测量。

研究小组能够使用这些测量和数学模型来估算绝对温度,而无需知道有多少光子被传递。

更精确地测量身体深处组织温度的能力对于通过热消融来治疗癌症具有重要意义,其涉及使用HIFU或无线电波加热肿瘤细胞直至它们死亡。虽然热疗是抗击癌症的新手,但研究人员对这种治疗非常热衷,因为它不会引起与放疗和化疗相关的严重副作用。

“热疗的一个挑战是我们需要将温度保持在最有效的范围内,”姚明说。 “如果温度太高,我们就会损坏周围的组织,如果它太低,我们就不会对肿瘤造成足够的伤害.TEMPT技术可以纳入治疗中,以便在完美的温度下磨练。”

姚说研究人员渴望探索最精确的温度范围,以有效杀死肿瘤细胞。除了治疗潜力之外,姚明和他的合作者还在研究他们的工作如何应用于其他基础研究问题。

“我们已经与医生和工程师建立了新的合作关系,以继续在实验室内外推进这项新技术,”姚明说。 “这非常令人兴奋,因为它可能会转化为临床影响并使癌症患者受益。”

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