超声-光声一体化人体器官三维成像系统

Currently, the pneumonia caused by COVID-19 has turned a global pandemic and a significant amount of patients who contract this disease show no thoracic abnormalities when they are admitted into hospital. This is extremely detrimental to the timely diagnosis, isolation and treatment of such patients, and potentially undermines efforts to contain its spread worldwide. Unlike COVID-19, which is a newly emerging infectious disease, malignant tumor has a long history and has always been a major threat to human life. One of the reasons why such diseases pose a serious threat to the well-being of humanity is that they are difficult to detect and diagnose in their early stages. To tackle this problem, we propose an integrated ultrasonic-photoacoustic 3D imaging system to offer an alternative approach to the early detection and diagnosis of such diseases. A flexible ultrasound array is planned to be developed that uses echolocation to locate and image pathological tissue. In addition, the flexible array is self-adhesive and can be easily attached to the patient's skin, and the direction and focal point of the ultrasound beam can be electronically controled, which makes it more convenient to use than traditional hand-held ultrasound transducers. The self-adhesive array can be used in a variety of circumstances, including early diagnosis, intraoperative navigation and continuous monitoring.

当前，新冠肺炎疫情肆虐全球，其中有相当一部分患者在入院时无肺部影像学异常，这对患者的及时诊断和隔离治疗以及疫情的控制极其不利。相比于新冠肺炎这一新发传染病，恶性肿瘤已经有相当长的历史，是人类所面临的一大顽疾。上述疾病之所以对人民群众生命健康构成重大威胁，其中一个重要原因即为早期症状不明显，普通的检测手段难以发现。针对这一情况，本项目拟研发一种超声-光声一体化人体器官三维成像系统，旨在为类似新冠肺炎和恶性肿瘤这种难以早期确诊的疾病提供一种新的检测手段，以将这两种疾病的确诊时间提前。该项目拟研制一种柔性相控阵超声面阵，可通过病灶回波到达各阵元的时间差来确定病灶在器官中的位置并对其成像。此外，该柔性阵列可贴敷在患者身体表面，其超声波束可通过电子手段控制方向和聚焦，而无需医生手持。这将极大方便医生的使用，并使其广泛适用于患者的早期诊断、术中导航和24小时不间断监护等领域。

当今，随着人们的生活水平不断提高，预期寿命不断延长，慢性病导致的生活质量下降乃至死亡占比越来越高，人们对身体健康的关注度也原来越高。因此，对于慢性病的早期诊断日益成为人们关注的焦点。超声成像这种诊断方式，具有对人体无害、使用方便、设备体积小、成本低等优点，使其广泛应用于包括结石与癌症在内的多种慢性病的早期诊断中。但是，目前所广泛使用的B型超声成像技术有若干局限性，包括只能进行二维成像，使用者无法直观获得器官和组织的三维结构，成像精度不足等问题，而三维超声成像目前尚未大规模应用。本项目旨在研发一种可穿戴柔性超声面阵，可以在形状随人体表面变化的同时提供实时的高精度三维成像，以方便医生观察研究人体在不受刚性超声换能器压迫的自然状态下，内部器官和组织的空间结构，以及病灶在三维空间中的位置和边界。此外，该柔性阵列可贴敷在患者身体表面，其超声波束可通过相控阵方式控制方向和聚焦，而无需医生手持，这将极大方便医生的使用。本项目的研究成果为一种新型的柔性可穿戴超声面阵及与之适配的成像算法，可以动态自感知自身形状，并通过成像算法计算出超声换能器阵列中各阵元的相对位置，从而消除因阵元相对位置改变而导致的伪像和畸变。该成果目前已申请发明专利，正处于实质审查阶段，名称为“柔性超声面阵的制作方法、柔性超声面阵及超声成像方法”，专利号：202110706251.1。该项成果将提供一种高精度、低成本、易使用的三维超声成像方法，并可兼容光声成像等其他成像模式，在慢性病的早期诊断、术中导航和24小时不间断监护等领域具有广阔的应用前景。