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| 今天的文章中，超哥为大家介一种结合光学对比度和超声分辨率的先进成像技术，能够克服光在生物组织中的穿透限制，提供高分辨率的深层组织成像。PAI通过光脉冲激发产生超声波信号，捕捉组织的光吸收特性，能够用于早期疾病诊断和治疗监测。PAI已经在皮肤、乳腺、心血管、肌肉骨骼等多个系统中展示了潜在的临床应用，尤其在乳腺癌、皮肤癌、动脉粥样硬化等疾病的诊断中取得了显著进展。尽管PAI在实验室环境中表现出色，但其临床转化仍面临技术性和标准化的挑战。如何提高成像深度和图像质量、优化光源和超声传感器阵列，以及解决图像重建和信号处理问题，仍是关键课题。此外，PAI设备需要实现小型化和便携化，适应临床环境的需求。标准化和临床验证是PAI广泛应用的前提，国际光声成像标准化联盟（IPASC）正在推动数据格式、图像质量和临床试验标准化。随着技术进步和监管审批的推进，PAI有望成为临床常规成像工具，助力精准医疗的实现。 |
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光声成像作为一种新兴的成像技术，具有独特的优势，能够突破传统成像技术的限制，提供更加全面和精确的诊断信息。尽管面临诸多挑战，但随着技术的优化、标准化进程的推进以及监管审批的逐步完善，PAI的临床转化前景广阔，未来有望成为临床诊断和治疗监测的重要工具。
光声成像（PAI）的临床转化与应用
光声成像（PAI）是一种结合光学对比度和超声空间分辨率的生物医学成像技术，能够克服光在生物体内穿透深度的限制。近年来，PAI已被广泛应用于预临床研究，并展现出显著的临床转化潜力。PAI通过光的吸收特性，提供从早期诊断到治疗监测的内在临床指示。本综述介绍了PAI技术的基础原理及其临床系统，阐述了不同人体器官系统的试点和临床研究成果，同时讨论了临床应用中的技术性和非技术性挑战，强调标准化在加速临床转化过程中的重要性，并总结了PAI的监管流程现状。
PAI技术基础
PAI通过短脉冲激光照射生物组织，利用光吸收特性产生热膨胀，并生成超声波信号，这些信号包含有关组织光吸收性质的宝贵信息。由于光的吸收系数依赖于目标的波长，PAI对比度由激光光源的光谱特性决定。PAI可以通过多种方法进行光学激发，常用的波长包括紫外线（UV）和近红外（NIR）范围。UV范围内的核酸和芳香氨基酸的吸光特性使其在PAI中用于细胞核和细胞质的成像。NIR范围内，血红蛋白（Hb）的强吸光性使PAI能够有效成像血管网络，监测血液氧合情况和血管形态。
临床应用中的PAI系统
PAI系统主要包括三种形式：双模态便携式PAUSI、站式断层PAI和介观/微观PAI。PAUSI系统结合了传统的超声成像（USI）系统和激光脉冲源，能够同时获取超声和光声图像，提供关于器官结构和血流的声学信息以及血红蛋白浓度和氧饱和度的光学信息。站式断层PAI系统利用环形阵列和更大的检测孔径，能够提供更深的组织成像，适用于大范围的诊断区域，如大脑、乳腺和四肢。介观/微观PAI通过高频单元素超声传感器，提供微米级的空间分辨率，适用于皮肤疾病的诊断，如皮肤癌和银屑病。
技术优化与挑战：
1. 成像深度与图像质量的优化
PAI的核心技术是利用光脉冲激发生物组织产生超声波信号，这些信号能够提供组织的光学吸收信息。然而，光在生物组织中的散射导致了成像深度的限制，尤其是在组织较深的区域，PAI的图像质量和穿透能力都会受到影响。为了解决这一问题，研究者们正在探索以下几种技术方案：
激光源的优化：不同波长的激光光源具有不同的穿透深度和成像能力。例如，近红外（NIR-II）光比近红外（NIR-I）光具有更深的穿透能力，能有效增加成像深度。激光源的选择和调节是提高PAI穿透深度和图像质量的关键。
多角度照射：通过改变激光照射的角度，可以有效减小光在组织中的散射影响，增强成像的清晰度。这种多角度照射技术有助于提高信噪比（SNR）和对比度（CNR），使得深层组织的图像更加清晰。
超声传感器阵列的改进：PAI需要高效的超声传感器来接收由光声效应产生的超声波信号。传统的线阵阵列传感器在接收深层信号时存在视角限制，新的环形或半球形阵列传感器能够扩大接收角度，提高图像质量。
1.2 图像重建算法的进步
为了更精确地还原组织结构，PAI不仅依赖于光声信号的检测，还需要先进的图像处理和重建算法。图像重建过程中，如何有效处理光声信号的时延信息、去除运动伪影、增强图像分辨率和对比度，是当前的技术难题。
谱分离技术：PAI通过光声信号的频谱特性来区分不同的组织类型或功能参数。改进的谱分离技术能够更精确地分离不同的信号，尤其是在复杂组织结构中的应用。
深度学习的应用：随着人工智能技术的发展，深度学习被应用于PAI图像的自动化处理和分析。通过训练深度神经网络，可以自动从图像中提取有价值的生物标志物，提高图像分析的速度和准确性，减少人为误差。
1.3 设备的小型化与便携性
目前，许多PAI设备仍然较大且需要专门的实验环境，这限制了其在日常临床中的广泛应用。为了更好地应用于临床实践，PAI设备需要实现小型化、便携化，甚至实现与现有的超声设备集成。便携式PAI设备不仅可以提高临床应用的普及度，还能使得医护人员在非侵入性的基础上实时获得疾病诊断信息，尤其适用于急诊和基层医疗环境。
临床研究与应用
PAI在多个器官系统的临床应用中表现出了显著的前景。在皮肤系统方面，PAI能够有效评估恶性黑色素瘤的深度和组织结构。在肌肉骨骼系统中，PAI被应用于骨癌、关节病理、脊柱疾病和骨质疏松的诊断。在心血管系统中，PAI能够提供微循环的详细信息，尤其在诊断外周动脉疾病（PAD）和评估血管病变方面具有优势。此外，PAI还在淋巴系统、神经系统、内分泌系统、胃肠系统和生殖系统的研究中展现出巨大潜力，如用于检测乳腺癌、糖尿病和克罗恩病等。
临床转化中的挑战
尽管PAI技术在临床上展现出广泛的应用潜力，但其转化过程中仍面临许多技术性和非技术性挑战。光学激发和声学检测的局限性影响了PAI的成像深度和图像质量。例如，光在生物组织中的散射限制了成像深度，且PAI图像容易受到视角限制效应的影响。为了解决这些问题，研究人员正在探索优化激光源、超声传感器阵列和图像重建算法，以提高图像质量并增强PAI系统的穿透力。
此外，PAI的标准化和监管流程也是实现其临床转化的关键。国际光声成像标准化联盟（IPASC）已提出多个方向，旨在通过数据管理、标准化测试方法和临床采纳来推动PAI的广泛应用。当前，多个PAI平台已经通过临床试验并获得部分国家的监管批准，例如美国FDA对Imagio®乳腺成像系统的批准，为PAI在临床中的应用铺平了道路。
未来展望
PAI技术展现出在高分辨率组织成像中的强大能力，突破了传统光学成像技术的限制。通过无创的光声成像，能够深入检测生物组织中的形态和功能特征，并在多种临床应用中提供更加精确的诊断。随着激光源、超声传感器阵列和图像处理算法的不断优化，PAI有望在未来成为临床常规成像工具。通过标准化和监管审批的推进，PAI将为精准医疗提供更多可能性，提升疾病的早期诊断和治疗效果。
参考文献
Park, Jeongwoo, Seongwook Choi, Ferdinand Knieling, Bryan Clingman, Sarah Bohndiek, Lihong V. Wang, and Chulhong Kim. "Clinical translation of photoacoustic imaging." Nature Reviews Bioengineering (2024): 1-20.
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