近日，我院关柏鸥团队在小动物全脑功能成像方面取得重要进展。研究成果以“用于高分辨率深部脑成像的双频光纤阵列光声计算机断层扫描”（Dual-frequency fiber-array photoacoustic computed tomography for high-resolution deep brain imaging）为题，发表于国际顶尖光学期刊Light: Science & Applications。关柏鸥教授、马军研究员、张弈副研究员为论文通讯作者，陈子韬、吴雨浛、许和湘为共同第一作者。
大脑重量仅占全身2%，耗氧量却占全身20%。神经元工作依赖于持续供氧，即便在休息时也处于高耗氧状态，一旦缺氧几分钟，就会造成不可逆的损伤。以高时空分辨率观测全脑范围的血管形态与血氧饱和度变化，能够反映大脑的生理状态和病理变化，对于医学及脑科学研究具有重要意义。现有成像技术或是缺乏血氧观测能力，或是不能兼顾成像深度和分辨率，难以满足上述需求。成像手段不足，是制约脑功能解析与脑疾病防治研究的主要瓶颈之一。
图1.基于双频光纤超声换能器阵列的多光谱PACT系统示意图。光纤换能器机械弯曲以在几何中心平面形成片状超声聚焦。光纤换能器保留部分光纤的聚合物涂层，以实现双频带超声检测。TR：扭转-径向模式。多光谱PACT成像采用光学参量振荡激光器输出三个波长脉冲光，用于获取组织血氧饱和度信息。
研究团队发明了双频光纤阵列光声计算机断层扫描（PACT）技术，为全脑高分辨血氧成像提供了解决方案。PACT是基于光学激发和超声探测的新型成像技术，传统上采用压电超声传感器探测超声信号，由于压电传感器工作带宽窄，而且焦距固定、不可调节，带来成像深度与分辨率之间的矛盾问题。团队另辟蹊径，深耕光纤超声探测二十余载，在首创自外差光纤激光超声传感器技术的基础上，建立了涂覆层耦合超声频带调控新方法。该方法利用聚合物涂覆层与石英包层之间的力学谐振差异，实现了2-3 MHz（聚合物涂层）与20-30 MHz（石英包层）双频带响应，中心频率跨越一个数量级（约十倍频程）。团队进而建立了无透镜光纤超声聚焦技术，利用光纤天然柔性可弯曲特点，几何塑形实现片状超声聚焦，在4 cm工作距离下实现了5.2 Pa的超低声压检测限，显著提升了组织深层弱信号捕获能力，且片状聚焦的层厚仅为～400 µm，能够有效抑制面外信号干扰，提高层析能力。基于以上技术创新，研究团队解决了一直以来光声成像穿透深度与分辨率的矛盾难题。
团队利用该传感器对小鼠大脑进行了连续冠状截面断层扫描，沿前后轴方向，采集五幅不同位置的冠状截面光声图像，其融合图像不仅清晰呈现了大脑皮层精细的微血管分支，还完整显示了海马、丘脑等深部脑区的血管结构。
图2.小鼠大脑高分辨光声图像。（Cc: 大脑皮层；Hip: 海马体）
在此基础上，团队结合双波长光激发与光谱线性解混，实现了小鼠全脑血氧饱和度的实时定量测量。在氧浓度挑战实验中，成功监测到小鼠大脑在缺氧、常氧与高氧状态下的血氧动态变化，证明了该系统在不同深度下的功能成像可靠性。
图3.氧挑战下的小鼠大脑血氧动力学监测。
团队进一步将该技术应用于原位胶质母细胞瘤小鼠模型的成像。结果显示，系统能够清晰分辨肿瘤内部紊乱的新生血管网络，并精准显示出肿瘤区域的异常高氧合状态。成像结果与T2加权MRI图像高度吻合，肿瘤边界清晰可见。与传统成像技术相比，该系统能够同时提供肿瘤的解剖结构与功能代谢信息，为肿瘤的早期筛查与疗效评估提供了更全面的依据。
图4.小鼠原位胶质母细胞瘤中肿瘤生长及血氧饱和度多光谱成像。
该研究提出的双频光纤阵列PACT成像技术，突破了传统压电换能器的固有瓶颈，为全脑尺度的血管结构解析与血氧代谢评估提供了新的技术路径。未来，研究团队将进一步优化该技术，通过增加光纤换能器阵列的阵元数量以消除机械扫描过程，将成像速度提升至实时水平，从而推动其在脑功能研究与脑疾病临床诊断中的转化应用。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02324-3.
