2024.09.30. 伦敦大学研究团在《Nature Biomedical Engineering》(IF=26.8)上发表研究文章 “A fast all-optical 3D photoacoustic scanner for clinical vascular imaging”, 用于临床血管成像的快速全光学3D光声扫描仪。
微血管病理学的临床评估(例如糖尿病和炎症性皮肤病)需要浅表血管解剖结构的可视化。基于全光学法布里-珀罗(Fabry-Perot, FP)超声传感器的光声断层扫描(PAT)扫描仪可以提供高度详细的3D微血管图像，但长达数分钟的采集时间阻碍了其临床应用。
本研究开发一种快速的全光学3D光声扫描仪，以满足临床对浅表血管成像的需求，克服早期系统采集速度慢的问题，实现快速、高质量的3D血管成像，并展示其在临床病例研究中的应用潜力。
本研究表明，通过并行化传感器读出的光学架构、使用具有高脉冲重复频率的激发激光器以及利用压缩传感，可以将扫描时间缩短到几秒甚至数百毫秒。具有如此快速采集能力的PAT扫描仪可最大程度地减少与运动相关的伪影，并允许对深度接近15毫米的单个小动脉、小静脉、静脉瓣膜以及毫米级动脉和静脉进行体积可视化，以及随时间变化的动态3D图像组织灌注和其他血液动力学事件。
在探索性案例研究中，使用扫描仪来可视化和量化与外周血管疾病、皮肤炎症和类风湿关节炎相关的微血管变化。快速全光学PAT可能在心血管医学、肿瘤学、皮肤病学和风湿病学中发挥作用。
扫描仪设计
光学参数设置：采用光学参量振荡器(OPO)激发激光系统产生光声信号，FP超声扫描仪检测。激光脉冲波长在700-900nm，通过光纤耦合到FP超声传感器头，传感器的声学敏感元件是薄膜聚合物FP干涉仪(FPI)，其在560-1,300nm波长范围透明，激发光可透过传感器照射组织产生超声信号。
扫描方式：采用多光束扫描器并行化传感器读出，将光纤耦合的询问激光系统输出分为64束，通过透镜聚焦到FP传感器上形成阵列，同时扫描并记录信号。还采用了高脉冲重复频率(PRF)的激发激光和压缩感知技术，通过不同的策略组合来加速采集过程。
系统特性测量
频率响应和分辨率测量：测量FP传感器的频率响应为50kHz-35MHz，可满足组织中光声信号的宽带频率要求。通过扫描塑料线吸收体网格并重建图像，测量不同扫描步长下的空间分辨率，在扫描区域中心，横向分辨率在1-12mm深度范围内为60-120μm，垂直分辨率在视场范围内为 45μm。
噪声等效压力(NEP)测量：在21×19.5mm²扫描区域的34,560个空间点上测量NEP，64束扫描仪的模态NEP为0.2kPa，单束扫描仪为0.25kPa，表明64束扫描的性能良好。
以高分辨率扫描模式获取的手腕和指甲血管系统的PAT图像
外周血管疾病：对疑似外周血管疾病患者的脚部进行成像，可观察到正常和病变脚部的血管差异，如血管迂曲度增加等，为疾病的诊断和研究提供了潜在的生物标志物。
炎症相关疾病
皮肤炎症：对皮肤炎症区域进行纵向成像，可观察到炎症过程中血管密度的变化，从炎症高峰期到消退期，血管密度逐渐降低。
乳腺癌相关皮肤炎症：在乳腺癌患者的乳头乳晕复合体区域，可观察到皮肤新生血管的增加，与未受影响的乳房相比，血管密度有明显差异。
类风湿关节炎：对类风湿关节炎患者的指间关节进行成像，通过量化滑膜区域的血管信号，可检测到炎症驱动的细微的新生血管形成，与健康志愿者相比有显著差异。
技术优势：开发的基于FP超声传感器的3D光声扫描仪通过并行化读出、高PRF激光和压缩感知技术，实现了快速采集3D血管图像，扫描时间从早期的数分钟缩短到几秒甚至几百毫秒，避免了运动相关的图像伪影，可实现实时图像显示和动态成像，提供了高分辨率、高保真的体内血管图像。
临床应用潜力：在心血管医学、肿瘤学、皮肤病学和风湿病学等领域具有潜在的应用价值，可用于检测和诊断糖尿病、外周血管疾病、炎症相关疾病等，并可用于手术引导和治疗监测。
技术发展方向：未来可进一步提高扫描仪的帧速率、穿透深度和空间分辨率，结合其他成像模态，开发不同形式的探头，以满足更广泛的临床应用需求。
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41551-024-01247-x
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