光声成像是一种通过使用激光和超声波检查生物材料的技术,由于它能够显示从器官、血管到肿瘤的所有信息,因此在医学上有许多潜在的应用。
加州理工学院的王力宏(Lihong Wang)是该领域的先驱,他们开发了光声成像的变体,可以显示器官的实时运动,开发人体内部部位的三维(3D)图像,甚至可以将癌细胞与健康细胞区分开。
现在,医学工程和电气工程学教授Wang 通过遍历继电器(PATER)进一步发展了先进的光声成像技术,即所谓的光声地形图,旨在简化此类成像所需的设备。
为了解释遍历继电器(PATER),需要先介绍光声成像。光声成像的工作原理是将激光脉冲发送到要检查的组织中,当光照射到组织中的分子时,激光脉冲使分子振动,从而产生穿过组织传播的超声波,直到分子被一种称为换能器的传感器拾取,该传感器被压在组织表面上。由换能器检测到的信号由计算机处理,以创建组织内部结构的图像。虽然该系统可以工作,但是为了产生清晰的图像,需要多个传感器。
Wang说:“该技术的一次迭代使用了512个传感器,所有这些传感器都需要一次压在组织上。表面上的每个点都必须被一系列换能器覆盖,而这是一种昂贵的建设,我们正在考虑如何使我们的系统更便宜、更耐磨,因为很难使阵列紧凑到足以磨损。使系统更便宜、更紧凑意味着要使用更少的传感器,但这将使收集足够的数据来显影图像变得困难。”
现在,Wang和他的研究团队找到了一种解决方法:即所谓的遍历继电器(PATER)。
在计算中,有两种主要的数据传输方式:串行和并行。在串行传输中,数据通过一个通信通道以单个流的形式发送;在并行传输中,使用多个通信通道同时发送几个数据。两种通讯方式大致类似于商店中收银机的使用方式。串行通信就像拥有一个收银机,每个人都在同一行,看到同一位出纳员;并行通信就像有多个收银机,每个收银机都有一行。
Wang设计的具有512个传感器的系统类似于具有许多收银机的商店,所有传感器都同时工作,每个传感器都接收有关激光脉冲产生的超声波振动的部分数据。由于来自系统的超声波振动会在短时间内发生,因此如果使用单个传感器尝试在短时间内收集所有数据,则该传感器将不堪重负,那就是遍历继电器的所在。
正如Wang所描述的,遍历继电器是一种声音可以回荡的腔室。当超声波振动通过遍历继电器时,它们会及时伸展。回到收银机的比喻,就好像让另一名员工协助单个收银员,告诉顾客在商店里走几圈,直到收银员准备好看到他们,这样收银员就不会不知所措。
Wang介绍,遍历继电器(PATER)系统的第一个版本能够生成2-D图像,但还不能像他的其他一些光声系统那样生成3-D图像。他补充说,该系统成熟后,除了对组织和身体结构进行成像外,还可用于其他医疗目的。如果我们使用葡萄糖吸收的光的波长,我们可能会用它来感测糖尿病患者的葡萄糖水平。或许我们可以做血脂检测,如果我们调整这些分子的系统,我们就能感觉到各种各样的化学物质。
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