光聲成像技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，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)和風濕病學(xué)中，微血管病理的可視化對于有效評估血管異常至關(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，組織對光的強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血管級微血管圖像。而激光多普勒或光散斑對比成像技術(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)非對比臨床多普勒超聲對微血管的對比度較差。新興的超快平面波超聲提供了更高的靈敏度，但它們依賴于檢測移動的血液，限制了對緩慢移動或靜止血液的靈敏度，并且無法測量血液氧合。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
全光學(xué)法布里-珀羅超聲傳感器
研究團隊開發(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)激光通過檢測器，從而避免了傳統(tǒng)壓電檢測器的不透明性問題。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，滿足了光聲成像對高檢測帶寬的需求。

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)
為了減少采集時間，研究團隊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，能夠同時掃描多達64個詢問光束，顯著提高了A線采集速率。此外，使用高PRF激光器，如高達1kHz的Yb纖維激光器，進一步加速了數(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，從而減少了運動偽影，實現(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數(shù)量。通過隨機子采樣掃描區(qū)域，并采用基于迭代模型的變分圖像重建方法，研究團隊成功地在更短的時間內(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。

成像實驗與結(jié)果分析
3D血管成像實驗
研究團隊在健康成人志愿者的手部和腕部區(qū)域進行了成像實驗，展示了該掃描儀快速、體積成像的能力。實驗中，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體積圖像，包括毛細血管環(huán)、小靜脈、動靜脈以及更大的毫米級動脈和靜脈。此外，還能看到靜脈瓣、皮膚溝壑和毛囊等非血管結(jié)構(gòu)。

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，該掃描儀能夠檢測到滑膜區(qū)域的血管對比度增加，這可能作為疾病嚴重程度的標志。

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、診斷和治療監(jiān)測提供了新的視角。未來，隨著技術(shù)的進一步發(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.