前言
南方科技大學(xué)奚磊教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種光聲成像手表，用于皮膚血管的高分辨率成像。可穿戴設(shè)備可以提供一種非侵入性的方式來(lái)監(jiān)測(cè)血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，如心率、血壓和血氧飽和度，這些指標(biāo)可以指示一個(gè)人的心臟工作情況。
可穿戴光聲手表系統(tǒng)的原理圖。(一)光聲觀測(cè)系統(tǒng)。(b)系統(tǒng)配置示意圖。(c)志愿者佩戴背包和成像手表。(d)成像手表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。(e)佩戴組裝良好的成像手表的志愿者的手腕。AMP：放大器; MCU：微控制器單元; DAQ：數(shù)據(jù)采集卡; F&C，纖維和電纜; PD：光電二極管; PS：電源; LC：激光控制器; BS：分束器; L：鏡頭; Obj：物鏡; FC：光纖耦合器; SMF：?jiǎn)文９饫w; MDB：電機(jī)驅(qū)動(dòng)板; CL：準(zhǔn)直鏡; DL：雙透鏡; M：鏡子; T：換能器; CG：玻璃蓋板。
“盡管光聲成像對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的變化極為敏感，但成像界面的小型化和優(yōu)化困難限制了可穿戴光聲設(shè)備的發(fā)展，”奚磊教授說(shuō)。“據(jù)我們所知，這是第一款適用于醫(yī)療保健應(yīng)用的光聲可穿戴設(shè)備。”
在Optica Publishing Group的期刊Optics Letters上，研究人員描述了他們的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)由帶有成像接口的手表，掌上電腦和裝有激光器和電源的背包組成。對(duì)志愿者自由移動(dòng)的測(cè)試表明，該設(shè)備可用于觀察不同活動(dòng)（如步行）期間的血流變化。
“像我們開(kāi)發(fā)的小型化可穿戴成像系統(tǒng)可能被社區(qū)衛(wèi)生中心用于初步疾病診斷或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)醫(yī)院環(huán)境中與血液循環(huán)相關(guān)的參數(shù)，為各種疾病的治療提供有價(jià)值的見(jiàn)解。”奚磊教授說(shuō)。“隨著進(jìn)一步的發(fā)展，這種類(lèi)型的系統(tǒng)也可能有助于早期檢測(cè)牛皮癬和黑色素瘤等皮膚病或分析燒傷。
創(chuàng)建可穿戴成像儀
光聲成像是一種無(wú)標(biāo)記技術(shù)，它通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)中光吸收產(chǎn)生的光誘導(dǎo)聲波來(lái)形成圖像。分析光聲信號(hào)強(qiáng)度和分布可以深入了解微血管的功能和結(jié)構(gòu)特征，這些微血管可以被各種疾病改變。盡管光聲成像仍然主要是一種研究工具，但它開(kāi)始在癌癥、血管和皮膚病成像等領(lǐng)域找到臨床應(yīng)用。
袖帶閉塞時(shí)血管網(wǎng)的血流動(dòng)力學(xué)變化
為了將通常笨重的儀器變成可以在四處走動(dòng)時(shí)佩戴的東西，研究人員開(kāi)發(fā)了一種緊湊的光學(xué)分辨率光聲顯微鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于緊湊的脈沖激光器，緊湊的光纖光路和集成電子系統(tǒng)，裝在一個(gè)重達(dá)7公斤的背包中。他們還設(shè)計(jì)了一種手持設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)圖像，并創(chuàng)建了一個(gè)小型化的手表式成像界面，該界面具有可調(diào)節(jié)的焦平面和用于實(shí)時(shí)顯示圖像的屏幕顯示器。
研究人員設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)，以便在佩戴者自由移動(dòng)時(shí)將其用于成像。它還具有自適應(yīng)的激光聚焦，這對(duì)于對(duì)皮膚等多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像是必要的。光聲成像系統(tǒng)的橫向分辨率為 8.7 μm，足以分辨皮膚中的大多數(shù)微血管，最大視場(chǎng)直徑約為 3 mm，足以捕捉微血管細(xì)節(jié)。
追蹤移動(dòng)中的血流
研究人員與志愿者一起測(cè)試了該設(shè)備，以評(píng)估手表的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移功能以及該系統(tǒng)在不同條件下檢測(cè)長(zhǎng)時(shí)間血流變化的能力，例如當(dāng)佩戴者走路時(shí)以及使用袖帶暫時(shí)阻止血液流向手臂時(shí)。這些測(cè)試表明，該系統(tǒng)可用、緊湊且足夠穩(wěn)定，可以自由移動(dòng)。
研究人員現(xiàn)在正在努力創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用更小的激光源和更高的重復(fù)率。這將使系統(tǒng)更緊湊、更輕，同時(shí)提高安全性和時(shí)間分辨率。“鑒于現(xiàn)代激光二極管技術(shù)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)一種不需要背包的更先進(jìn)、更智能的光聲手表應(yīng)該是完全可行的，”奚教授說(shuō)。
研究人員還致力于確保光纖耦合光路在長(zhǎng)時(shí)間和更激烈的條件下（如跑步和跳躍）的穩(wěn)定性。他們還希望結(jié)合多光譜照明，這將允許獲取額外的生理參數(shù)，包括氧飽和度和血流速度，以及對(duì)血管數(shù)量和體積等參數(shù)的定量評(píng)估。這些能力可以幫助支持癌癥和心血管疾病等疾病的早期診斷。
Ting Zhang, Heng Guo, Weizhi Qi, Lei Xi. Wearable photoacoustic watch for humans. Optics Letters, 2024; 49 (6): 1524 DOI: 10.1364/OL.514238
