光聲成像技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為臨床血管成像提供了全新的解決方案。在眾多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如心血管醫(yī)學(xué)、腫瘤學(xué)、皮膚病學(xué)和風(fēng)濕病學(xué)中，微血管病理的可視化對(duì)于有效評(píng)估血管異常至關(guān)重要。

《Nature Biomedical Engineering》雜志發(fā)表了關(guān)于快速全光3D光聲掃描儀的研究，該掃描儀基于全光學(xué)法布里-珀羅超聲傳感器，通過并行化傳感器讀出架構(gòu)、高脈沖重復(fù)頻率激發(fā)激光和壓縮感知技術(shù)，將掃描時(shí)間從幾分鐘縮短到幾秒甚至幾百毫秒，為臨床血管成像帶來了革命性的突破。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
微血管成像的臨床需求
微血管成像對(duì)于多種疾病的診斷和管理至關(guān)重要，包括糖尿病、炎癥性皮膚病、燒傷和潰瘍等。光學(xué)成像技術(shù)因其能夠可視化血管解剖結(jié)構(gòu)、氧合和血流而備受關(guān)注。然而，組織對(duì)光的強(qiáng)烈散射限制了其穿透深度或空間分辨率。例如，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡、光學(xué)相干斷層掃描等依賴于未散射的彈道光子的技術(shù)，只能提供亞毫米深度的毛細(xì)血管級(jí)微血管圖像。而激光多普勒或光散斑對(duì)比成像技術(shù)雖能提供更大的穿透深度，但光學(xué)散射限制了空間分辨率，導(dǎo)致圖像無法揭示單個(gè)微血管的架構(gòu)。

超聲成像的局限性
超聲成像能夠克服光學(xué)成像的深度/分辨率限制，但傳統(tǒng)非對(duì)比臨床多普勒超聲對(duì)微血管的對(duì)比度較差。新興的超快平面波超聲提供了更高的靈敏度，但它們依賴于檢測(cè)移動(dòng)的血液，限制了對(duì)緩慢移動(dòng)或靜止血液的靈敏度，并且無法測(cè)量血液氧合。

光聲成像的潛力與挑戰(zhàn)
光聲成像結(jié)合了光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)勢(shì)，能夠直接檢測(cè)血液中的血紅蛋白，而無需依賴血流作為血管標(biāo)記。這使得光聲成像能夠可視化低血流的小血管，并進(jìn)行血液氧合的光譜測(cè)量。然而，光聲成像技術(shù)的實(shí)施面臨非平凡的儀器相關(guān)挑戰(zhàn)，尤其是在淺深度成像時(shí)，需要寬檢測(cè)帶寬、精細(xì)的空間采樣和小尺寸的檢測(cè)元件。傳統(tǒng)的壓電超聲檢測(cè)器通常帶寬不足，對(duì)于亞100微米尺寸的元件靈敏度較差，且不透明，限制了激發(fā)激光的傳輸。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
全光學(xué)法布里-珀羅超聲傳感器
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于全光法布里-珀羅（FP）聚合物薄膜超聲傳感器的光聲掃描儀，能夠提供高分辨率的3D微血管圖像。該傳感器具有透明性，允許激發(fā)激光通過檢測(cè)器，從而避免了傳統(tǒng)壓電檢測(cè)器的不透明性問題。FP傳感器的寬頻帶（50kHz至35MHz）能夠捕捉組織中產(chǎn)生的寬帶光聲信號(hào)，滿足了光聲成像對(duì)高檢測(cè)帶寬的需求。

基于FP的多光束PAT掃描儀

并行化傳感器讀出與高速激光激發(fā)
為了減少采集時(shí)間，研究團(tuán)隊(duì)采用了并行化傳感器讀出方案和高脈沖重復(fù)頻率（PRF）激發(fā)激光。通過多光束掃描器，能夠同時(shí)掃描多達(dá)64個(gè)詢問光束，顯著提高了A線采集速率。此外，使用高PRF激光器，如高達(dá)1kHz的Yb纖維激光器，進(jìn)一步加速了數(shù)據(jù)采集過程。這些技術(shù)的結(jié)合使得掃描時(shí)間從原來的幾分鐘縮短到幾秒甚至幾百毫秒，從而減少了運(yùn)動(dòng)偽影，實(shí)現(xiàn)了高保真3D圖像的可重復(fù)采集。

壓縮感知技術(shù)的應(yīng)用
壓縮感知技術(shù)通過利用光聲圖像數(shù)據(jù)的冗余性，允許在不顯著降低圖像質(zhì)量的情況下減少所需的采樣點(diǎn)數(shù)量。通過隨機(jī)子采樣掃描區(qū)域，并采用基于迭代模型的變分圖像重建方法，研究團(tuán)隊(duì)成功地在更短的時(shí)間內(nèi)重建了高質(zhì)量的圖像。這種技術(shù)不僅減少了掃描時(shí)間，還為克服硬件限制（如高PRF激光器的平均功率限制）提供了新的思路。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
3D血管成像實(shí)驗(yàn)
研究團(tuán)隊(duì)在健康成人志愿者的手部和腕部區(qū)域進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，展示了該掃描儀快速、體積成像的能力。實(shí)驗(yàn)中，探頭放置在感興趣的解剖區(qū)域，通過超聲凝膠提供聲學(xué)耦合，并開始掃描序列。結(jié)果顯示，該掃描儀能夠提供接近15毫米深度的微血管詳細(xì)體積圖像，包括毛細(xì)血管環(huán)、小靜脈、動(dòng)靜脈以及更大的毫米級(jí)動(dòng)脈和靜脈。此外，還能看到靜脈瓣、皮膚溝壑和毛囊等非血管結(jié)構(gòu)。

動(dòng)態(tài)成像能力
該系統(tǒng)還提供了2D視頻速率成像模式，用于可視化動(dòng)態(tài)生理事件或快速搜索解剖學(xué)感興趣的區(qū)域。例如，在志愿者的腕部放置探頭并移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示血管及其相對(duì)側(cè)向位置的變化。此外，該系統(tǒng)還能夠以33fps的幀率成像橈動(dòng)脈，捕捉到由于血流搏動(dòng)引起的動(dòng)脈尺寸變化。

臨床案例研究
研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了探索性臨床案例研究，展示了該掃描儀在評(píng)估外周血管疾病、皮膚炎癥和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病相關(guān)微血管變化方面的潛力。在對(duì)疑似外周血管疾病的患者進(jìn)行成像時(shí)，該掃描儀能夠顯示血管迂曲等微血管異常，這些異常與外周血管疾病相關(guān)。

在炎癥成像方面，該掃描儀能夠可視化由昆蟲叮咬引起的皮膚炎癥區(qū)域的微血管架構(gòu)變化，并量化微血管密度隨時(shí)間的變化。此外，在乳腺癌患者的乳頭乳暈復(fù)合體區(qū)域，該掃描儀能夠檢測(cè)到由于腫瘤引起的皮膚新生血管化，表現(xiàn)為微血管密度的增加。在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)成像中，該掃描儀能夠檢測(cè)到滑膜區(qū)域的血管對(duì)比度增加，這可能作為疾病嚴(yán)重程度的標(biāo)志。

總結(jié)與展望
快速全光3D光聲掃描儀的開發(fā)為臨床血管成像提供了一種新的工具，其在采集速度、圖像質(zhì)量和功能方面均表現(xiàn)出色。該技術(shù)能夠快速、無創(chuàng)地獲取高分辨率的3D血管圖像，為多種疾病的檢測(cè)、診斷和治療監(jiān)測(cè)提供了新的視角。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如提高幀率、增加成像深度和空間分辨率，以及與其他成像模式的融合，該技術(shù)有望在更多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，為臨床醫(yī)生提供更全面、更準(zhǔn)確的診斷信息，從而改善患者的治療效果。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Huynh NT, Zhang E, Francies O, Kuklis F, Allen T, Zhu J, Abeyakoon O, Lucka F, Betcke M, Jaros J, Arridge S, Cox B, Plumb AA, Beard P. A fast all-optical 3D photoacoustic scanner for clinical vascular imaging. Nat Biomed Eng. 2024 Sep 30. 

DOI:10.1038/s41551-024-01247-x.