前言： 在神经科学领域混迹多年，深感研究成果对技术的依赖，必须逼着自己多了解学习各个相关交叉领域技术的进展...
光声成像 (Photoacoustic tomography, PAT)是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的活体组织成像(in vivo imaging)。 1）与透视光学断层扫描（DOT），荧光层析成像（FMT）等纯粹的光学断层扫描相比，PAT可以在整个视野内更深入地穿透更高的空间分辨率。（2）与超声波成像相比，PAT具有丰富的内在和外在的光学对比度，并且没有散斑伪像。（3）与X射线CT（X射线CT）和正电子发射断层扫描（PET）相比，PAT使用非离子激光照射。（4）与磁共振成像（MRI）相比，PAT更快，成本更低。这些独特的优势使PAT对临床前研究和临床实践产生了广泛的影响。
图1 PAT的原理是基于“光声效应”，既物体在周期性变化的光照下产生声信号的现象。一般来说，在光声成像中需要用脉冲激光照射成像部位，因为PAT信号源于光吸收。光声信号产生的过程可以分三个步骤描述：（1）物体吸收光（2）吸收的光能被转换为热量并产生温度升高（3）使附近的组织发生热弹性膨胀，从而形成超声波发射。 这一超声波可以用超声换能器检测，而后者正是一般超声造影中所用的主要探测器。
但不同于超声造影的是，光声成像利用了体内不同组分吸收性质的不同。譬如血红蛋白浓度的大小，组织血氧饱和度的高低，均会影响组织的光吸收能力，从而改变超声信号的强度。生物组织的光学吸收既可能产生于内源性分子典型的内源性组织发色团（光吸收剂）包括血红蛋白，黑色素和水，也可能产生于外源性引入的各种造影剂 （纳米分子探针等）。
图2 内源性组织发色团在人体的典型浓度下的吸收系数谱。氧血红蛋白（HbO 2）和脱氧血红蛋白（HbR），150gL -1。水，60重量％。脂质，16重量％。黑色素浓度对应于正常皮肤。改编自http://omlc.ogi.edu。
当组织的不同部分吸收系数和散射系数差别很大的时候 , PAT就能够取得更理想的效果。特别是组织中的血红蛋白的吸收特性和散射特性都很好 , 所以光声成像特别适合血管成像。由于血红蛋白的吸光度一般比周围其他物质高得多，因此其也就成为了血管光声成像一类有力的造影剂。近期的研究已发现，光声成像可用于活体内肿瘤血管新生的检测、血氧饱和度扫描、大脑功能成像以及皮肤黑色素瘤探测等诸多生命和医学领域。
PAT主要有两个方法实现重建图像。第一种直接成像是基于聚焦单元超声波换能器的机械扫描，通常用于光声显微镜（PAM）。第二个重建图像形成是基于多元素换能器阵列的机械/电子扫描，并且用于光声计算机断层摄影（PACT）。
图3 显示了由基于法布里-珀罗干涉仪FPI的光声计算机断层摄影PACT系统获得的怀孕小鼠腹部的原位图像。可以清楚地看到两个胚胎（阴影红色），以及子宫和皮肤的脉管系统。
光声显微镜（PAM）是PAT的另一个主要实现，它在深度上具有小于50μm的空间分辨率的成像模态。基于横向分辨率的主要决定因素，PAM可以进一步分为光学分辨率PAM（OR-PAM）和声分辨率PAM（AR-PAM）
图4 声光显微镜(PAM). (a) 第二代光学分辨率声光显微成像系统 (2G-OR-PAM), 横向分辨率 取决于光学聚焦的衍射极限. AL 声学透镜; Corl, 校正镜头; RAP，直角棱镜; RhP，菱形棱镜; SOL，硅油层; UT，超声波换能器; WT，水箱。(b) 暗场声分辨光声显微镜（AR-PAM），其横向分辨率由声聚焦的衍射极限决定。 （c-d）通过（a）OR-PAM和（b）AR-PAM成像的体内无标记的小鼠耳部脉管系统。 底部示出了代表性的横截面图像。 OR-PAM表现出的图像分辨率更好时，而AR-PAM则具有更大的穿透深度（由箭头显示）
作为混合技术，PAT具有在光学和超声波尺寸上扩展其空间分辨率和成像深度的独特能力[ 2 ]。对于OR-PAM，其横向分辨率主要由光学微观物镜的数值孔径（NA）决定，较高的NA可提高横向分辨率，但降低成像深度。相比之下，AR-PAM的横向分辨率可以通过改变声学透镜的声学中心频率和NA来缩放。
PA信号可用于导出组织微环境的多个解剖，功能和代谢参数。由于单参数可能无法完全反映真实的生理和病理状况，因此多参数PA成像可能为诊断，分期和治疗疾病提供更全面的信息。
图5 多参数PA成像 （a）带有U87胶质母细胞瘤肿瘤的小鼠耳朵的照片。（b）用OR-PAM获得的深度编码的血管图像，显示肿瘤中的曲折的血管。 （c）肿瘤区域的sO2图，显示早期肿瘤的高氧状态。
PAT是否只局限于缺乏诊断疾病或跟踪生物过程所必需的特异性的内源分子，如红细胞血红蛋白、黑色素和水等内源性分子信号成像？近年来，科学家一直致力于加强PAT的分子成像能力，取得相当大的进展，在优化都为更好的检测灵敏度PAT成像系统，以及更好的对比度增强造影剂。PAT已经证明通过使用各种外源性造影剂能够进行高灵敏度分子成像，包括微泡，有机染料，纳米颗粒，荧光蛋白和报道基因产物。
图6 分子PAT能够显现特定的细胞功能和分子过程。（a）增强鼠脑成胶质细胞瘤，过表达的靶向整合素在肿瘤细胞中 （b）三模式MRI-PA-拉曼（MPR）纳米颗粒增强的小鼠脑中胶质母细胞瘤的PAT
在过去的十年中，PAT技术已经迅速发展到更高的空间分辨率，更高的帧速率和更高的检测灵敏度。PAT的应用在基础生命科学领域也有了很大的发展，提出了许多临床应用。PAT的加速进展也引发了生物学，化学和纳米技术方面的越来越多的贡献。随着几个PAT系统的商业化，我们预计PAT将成为实验室和诊所的主流成像模式。
虽然获得了令人兴奋的图像，但PAT仍然面临着局限性。例如，光衰减限制了最终的成像深度。目前，鸡胸肉组织中最大显示PAT成像深度为8.4厘米。为了解决这个限制，已经探索了新的光照照明方案。例如，通过从两侧照射物体，摄像区域可以加倍并有可能达到16.4厘米。还提出了内部光传递来形成远远低于皮肤的器官。在成像速度方面，PACT和PAM目前受激光器脉冲重复率的限制。随着激光技术的进步，我们预计PAT成像速度将相应提高。定量PA成像也面临挑战，因为难以测量局部注量分布。先进光谱分离算法已被提出以解决此问题。新颖造影剂也已被探索，以提高深层组织的分子的光声成像的特异性。
PAT技术已经被报道令人兴奋的图像，解决上述挑战后只会进一步提高PAT的能力。凭借其光学吸收对比度和超声成像深度和分辨率可扩展性的独特组合，PAT预计将在生物医学研究和临床实践中找到更多高影响的应用。（流口水）
nanobci.com 纳米脑
神经工程、脑机接口领域最新动态
在体电生理、成像技术及纳米技术的结合
长按二维码关注我们。
微信号：nano-brain