"怀长期主义，聊医工科技"
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11月27日迈瑞的国内首个融合超声和光声成像技术的双模态成像产品成像Resona Y获得国家药品监督管理局正式批准，标志着光声设备在国内奠定了坚实的应用基础，作为国内首个以临床科研为导向的超声诊断系统，Resona Y·盘古正式发布，它由前沿创新技术、科研实验平台和数据管理分析三大核心模块组成，旨在为临床研究者提供完善的科研探索平台，我们也期待光声技术在临床可以展开更多的应用！
| 今天的文章中，超哥为大家介绍光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI）的临床应用前景，PAI光声成像是一种结合光学与超声的混合成像技术，能够在厘米级深度内提供高分辨率的光学对比图像。PAI通过检测血红蛋白、脂质、黑色素等内源性吸收体，或使用外源性对比剂，广泛应用于临床研究中。本文综述了PAI在乳腺癌筛查、皮肤癌诊断、血管异常检测、炎症性关节炎评估、胃肠道疾病监测及代谢研究等领域的潜在应用。通过多波长成像技术，PAI能够量化生理指标，如血氧饱和度、血流动力学参数等，为疾病的早期诊断、分期及疗效评估提供了重要工具。同时，PAI具备无创、实时、经济高效等优势，为精准医疗的实施奠定了基础。未来，PAI在脑功能成像、新型对比剂开发及便携化设备设计方面仍有巨大潜力，有望在更多领域实现临床转化。 |
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深度综述 | 光声成像Photoacoustic Imaging最新进展：当前状况和未来前景
光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI），又称光声断层成像（PAT），是一种融合了光学照明和超声检测的混合成像技术，近年来在生物医学成像领域得到了广泛关注。传统的纯光学成像方法由于光在组织中散射较强，难以在深部组织中保持高分辨率。而PAI通过利用光吸收产生的超声波实现信号检测，突破了这一限制，不仅可以提供光学对比度，还能达到厘米级的成像深度。此外，PAI能够无标签地检测血红蛋白、黑色素、脂质和水等内源性光学吸收体，也可以使用外源性对比剂进一步增强成像对比度。其独特的多波长检测能力使其可以量化组织中的生理和病理变化，如血氧饱和度（sO₂）、血流动力学特征等，为疾病的诊断、治疗监测和生理研究提供了重要工具。
不同光声成像模式及其用于临床应用的商业系统示意图。(a) 光学分辨率光声显微成像（OR-PAM） (b) 光声中尺度成像（RSOM） (c) 配备线性换能器阵列的光声断层成像（PAT） (d) 配备曲面换能器阵列的PAT (e) 配备球面换能器阵列的手持模式PAT。图中标注：FB表示光纤束，UTA表示超声换能器阵列，UT表示超声换能器。
PAI系统根据光学和声学检测方法的组合，分为光声显微成像（PAM）、光声中尺度成像（RSOM）和光声断层成像（PAT）。每种系统均有其特定的应用领域，例如PAM适用于表浅高分辨率成像，而PAT则侧重深部组织的大范围成像。本文重点综述了PAI在临床中的主要应用领域及未来发展趋势，涵盖乳腺、皮肤、血管、关节、消化系统以及脂肪组织等方面的研究和实践。
乳腺成像
乳腺成像是光声成像最具前景的临床应用之一，特别是在乳腺癌的检测、分期及治疗效果监测中。乳腺癌是全球女性发病率最高的癌症，现有影像手段如X线乳腺摄影虽常用于筛查，但其受限于密度较高乳腺组织的诊断效果，并存在电离辐射的潜在风险。PAI通过结合光学成像的对比度和超声成像的深度穿透能力，为乳腺病变的检测提供了新途径。
研究发现，光声乳腺成像能够以高分辨率显示乳腺血管网络的形态和氧合状态，特别是在检测肿瘤相关的血管生成和缺氧状态方面具有优势。一些临床研究已证实，基于多光谱光声断层成像（MSOT）技术的系统，如Imagio，可以通过区分氧合和去氧血红蛋白的分布，帮助诊断和分级乳腺病变。此外，PAI对于密度较高乳腺组织的诊断优势尤为显著，其对乳腺血管网络的检测不受乳腺密度的影响，大幅提高了诊断的灵敏度和特异性。
40岁女性浸润性乳腺癌（IBC）患者肿瘤周围血管的光声乳腺成像图像。(a) 原始MRI图像，病灶（直径47毫米）用红圈标注；(b) 将病灶形状调整为光声图像对应形状后的放大MRI图像；(c) 原始光声（PA）图像；(d) 融合的PA（青色）和MRI（红色）图像；(e) 在795 nm波长下的放大PA图像（代表血红蛋白分布），显示化疗前肿瘤内血管较少；(f) 在795 nm波长下的放大PA图像，显示化疗后肿瘤内细小血管数量增加。根据色条显示的相对血氧饱和度（sO₂）值，(f) 中的数值比 (e) 中更低，表明缺氧（黄色箭头标示）。
在乳腺保留手术中，PAI还展示了用于肿瘤切缘评估的潜力。通过检测脂肪与血红蛋白信号的分布，研究人员能够无创、快速地识别癌组织和正常组织的边界，降低二次手术的可能性。
皮肤病成像
PAI在皮肤病学中的应用涉及皮肤癌检测、炎症性皮肤病监测以及毛囊和皮脂腺的成像研究。传统的皮肤病诊断依赖于肉眼检查和活检，而PAI通过非侵入性成像技术，为这些病变的早期检测和长期监测提供了新工具。
对于皮肤癌，特别是黑色素瘤和非黑色素瘤皮肤癌，PAI通过检测黑色素和血红蛋白的光声信号，可以精准测量病变的边界和深度。此外，多光谱光声成像还可区分黑色素、氧合血红蛋白和去氧血红蛋白，生成皮肤组织的三维光声图像，为皮肤病变的定性和定量分析提供了可能性。
非黑色素瘤皮肤癌患者的临床图像和光声（PA）图像。(a–c) 面颊部基底细胞癌的临床图像、苏木精-伊红染色图像以及反射共聚焦显微镜图像，比例尺为500微米。(d) 病变的PA正交图像及其三维投影，白线标注了测量PA信号用于确定肿瘤(e)长度和(f)深度的距离。(g–i) 具有Fitzpatrick II型皮肤的高加索患者基底细胞癌的PA图像；(j–l) 具有Fitzpatrick IV型皮肤的亚洲患者基底细胞癌的PA图像。
炎症性皮肤病如银屑病和湿疹的诊断则依赖于对表皮增厚和血管扩张等特征的观察。PAI能够量化这些炎症指标，通过定期监测皮肤病变的形态和功能变化，帮助医生评估治疗效果，制定个性化治疗方案。
通过RSOM对健康皮肤及其邻近银屑病病变区域进行成像，并结合组织学验证。图像包括RSOM的横截面图、临床图像及组织学图像：(a, c, e) 为银屑病皮肤，(b, d, f) 为邻近的健康皮肤。银屑病皮肤表现为：靠近皮肤表面的毛细血管环拉长、表皮增厚、黑色素缺失以及真皮血管化增加。这些特征通过组织学图像得到了验证。
血管成像
血管成像是PAI的重要应用之一，特别是在外周血管疾病和全身炎症的评估中。PAI通过检测血氧饱和度和血红蛋白浓度，无创地获取血管网络的形态和功能信息。研究表明，PAI能够揭示血管生成、血管阻塞及炎症相关的血管病变特征。
例如，在雷诺现象和系统性硬化症的研究中，PAI被用来检测手指和手掌微循环的血管状态，包括血流动力学变化和血氧饱和度分布。通过这些功能参数的定量分析，医生可以评估疾病的进展，为患者制定更有效的治疗策略。
此外，PAI还在慢性创面成像中展现了潜力，通过监测伤口区域的氧合状态，为伤口的愈合情况提供了重要指标。
关节和肌肉骨骼成像
光声成像为关节和肌肉骨骼疾病的检测和监测提供了创新性工具。在炎性关节炎如类风湿性关节炎中，滑膜的炎症导致血管生成和血氧状态改变，而PAI能够无创地捕获这些生理变化，为炎症的早期诊断和治疗效果监测提供支持。
双模态成像系统将PAI与超声相结合，通过获取组织的解剖和功能信息，进一步提高了诊断的准确性。研究发现，PAI在检测滑膜炎和关节周围的微循环血流方面具有显著优势，为疾病的分期和治疗效果评估提供了新工具。
胃肠道成像
炎症性肠病（IBD）如克罗恩病的患者通常需要频繁检查以评估病情和治疗效果。传统的结肠镜检查虽然准确，但存在侵入性和耗时长的问题。PAI作为一种无创成像技术，通过检测肠壁的血流和氧合状态，为IBD的诊断和治疗监测提供了重要支持。
多光谱光声断层成像（MSOT）显示的克罗恩病（CD）患者肠壁代表图像：上图为处于缓解期的患者，下图为活动期患者。通过B超图像定位肠壁。观察发现，与缓解期患者相比，活动期患者在临床和内镜检查中表现出肠壁氧合血红蛋白（HbO₂）和氧饱和度（sO₂）信号的显著增强。
临床研究表明，多光谱光声断层成像能够区分炎症活跃期和缓解期的肠道组织，并量化血氧饱和度和血红蛋白浓度的变化，为疾病的客观评估和个性化治疗提供依据。
脂肪组织成像
PAI在代谢研究中展示了巨大的潜力，特别是在棕色脂肪组织（BAT）活性评估和肥胖研究中。通过检测血红蛋白信号，研究人员能够实时观察BAT的代谢活动，为肥胖和糖尿病的机制研究提供了新视角。
志愿者棕色脂肪组织（BAT）的多光谱光声断层成像（MSOT）结果：(a–b) 志愿者上半身的MRI图像及三维渲染图，结合PET扫描结果显示上半身的冠状切面图像；(c–d) 志愿者肩部和锁骨上区的MRI图像，黄色线条和平面标示出MSOT图像获取的位置；(e) 锁骨上区激活的BAT中18F-FDG摄取的PET信号；(f) 相同锁骨上区域的BAT和肌肉的MSOT图像；(g) 冷刺激诱导BAT激活的间接测热法和MSOT测量示意图；(h) 冷刺激前后BAT和肌肉的MSOT图像；(i) 从BAT和肌肉中测得的HbO₂信号及相应的氧气消耗（VO₂）值；(j) 冷刺激10分钟前后BAT、肌肉和皮肤的信号强度相对变化；(k) 比较冷刺激前（基线）与刺激后BAT、VO₂和肌肉区域信号的百分比变化。比例尺：图(c)为5厘米，图(d–f)为5毫米。
此外，PAI还可用于检测脂肪瘤等脂肪组织相关病变，结合超声成像，为脂肪组织的非侵入性诊断和监测提供了新方法。
未来方向和挑战
尽管光声成像在许多领域展示了巨大的潜力，但其广泛应用仍面临一些挑战。技术层面，需进一步提升成像系统的便携性、经济性和深度穿透能力；临床层面，需进行多中心大样本研究，验证其诊断和治疗监测的可靠性。
基于LED的光声成像（PAI）系统：(a–b) 在400–900 nm光谱范围内工作的LED阵列，不同波长的发射光谱；(c–d) LED发射的光波形图及其随时间的稳定性曲线；(e–f) 不同时间点的LED寿命分析及在不同生物组织中的可传递功率分析；(g) 基于LED的光声与超声双模态成像系统的实物照片。
未来，PAI的研究将聚焦于脑功能成像、新型对比剂开发，以及经济高效的成像系统设计等方向，进一步拓展其在临床医学中的应用边界。
参考文献
Attia, Amalina Binte Ebrahim, Ghayathri Balasundaram, Mohesh Moothanchery, U. S. Dinish, Renzhe Bi, Vasilis Ntziachristos, and Malini Olivo. "A review of clinical photoacoustic imaging: Current and future trends." Photoacoustics 16 : 100144.
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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