Nature Reviews Bioengineering | 光声成像的临床转化

文摘   2024-09-29 16:35   浙江  

2024.09.26. 浦项科技大学、英国剑桥大学、加州理工学院研究团队联合Nature Reviews Bioengineering上发表综述 “Clinical translation of photoacoustic imaging”.


光声成像(PAI)也称为光声成像,是一种很有前景的生物医学成像技术,它结合了丰富的光学对比度和高超声空间分辨率的优点,克服了光在活体受试者中有限的穿透深度。在临床前研究中使用 PAI 进行的基础生物医学研究引起了人们的极大兴趣,并显示出临床和商业转化的巨大潜力。PAI 在活体动物和人类研究中捕获了形态、功能和分子信息,提供从早期诊断到治疗监测的内在临床指标。


本综述介绍了 PAI 技术和各种临床 PAI 系统的基础知识,并讨论了人体器官系统试点和临床患者研究的主要发现。还讨论了临床场景中的技术和非技术挑战,强调标准化在加速临床转化中的重要性,并总结了 PAI 监管流程的现状。



PAI 的基本原理

  • PAI 利用短脉冲光照射生物组织,光被内源性发色团或外源性对比剂吸收后产生热膨胀,进而产生超声波,超声波信号经处理和重建后生成光声图像。

  • 光声对比由激发光的光谱决定,不同波长的光可用于成像不同的目标,如紫外光可用于成像细胞核和细胞质,可见光到近红外光可用于可视化血管网络,近红外光可用于监测脂质斑块等。


PAI 系统在临床应用中的形式

  • 双模态PAUSI:基于传统超声成像系统,结合便携式脉冲激光源,可实现光声和超声成像,能提供生物组织声学和光学吸收光谱的互补信息,可用于皮肤、甲状腺、乳腺和四肢等部位的诊断。

  • 基于站的断层PAI:采用半球形或环形阵列超声传感器,适用于检测全方位的光声波,能大大提高光声图像的质量,主要诊断目标区域包括大脑、乳腺和肢体

  • 介观和微观PAI:高频单阵元超声传感器结合,在暗场漫射或松散聚焦光照明下实现,能获取几十微米分辨率的光声图像,特别适用于皮肤疾病的诊断。

PAI概述

各种临床PAI系统配置


试点和临床研究
  • 对皮肤、肌肉骨骼、心血管、淋巴、神经、内分泌、胃肠道和生殖等系统的疾病进行了 PAI 的试点和临床研究,展示了 PAI 在这些领域的应用潜力和优势。

  • 例如,在皮肤系统中,PAI 可用于黑色素瘤和牛皮癣的诊断;在肌肉骨骼系统中,可用于评估骨癌、关节病变和肌肉组织疾病;在心血管系统中,可用于检测心血管疾病和严重贫血等。

临床转化的挑战
  • 技术挑战:包括光激发和声学检测方面的挑战,如光在组织中的成像深度有限、光分布不均匀导致难以准确补偿光通量、实现高灵敏度声学检测困难以及超声传感器的局限性等。

  • 工业挑战:PAI 的临床转化需要考虑成本,包括脉冲激光二极管和发光二极管等激光源的成本效益,以及系统的可靠性和维护成本等。

  • 伦理挑战:实施 PAI 需要考虑多维度的伦理问题,如患者安全、新技术与医疗器械研发和临床实践的整合、不同患者群体对技术的可及性、临床研究中对弱势群体的关注以及信息内容对患者的影响等。

临床转化的标准化
  • 国际光声标准化联盟(IPASC)成立于 2019 年,旨在促进 PAI 的标准化,提高临床研究质量,加速临床转化。

  • IPASC 确定了未来活动的四个主题领域:数据管理、标准开发、测试对象和方法以及临床应用。目前 PAI 处于标准化的相对早期阶段,正在努力建立标准数据格式、开发开源图像重建算法、定义潜在的设备应用和标准化要求、建立测试对象和方法的共识以及促进临床采用。


人体功能系统的代表性临床光声成像结果

监管过程
  • 美国 FDA 为 PAI 产品提供了多个审批路径,如 De Novo 或 Premarket Approval(PMA)路径。例如,Seno Medical Instruments Inc. 的 Imagio Breast Imaging 系统通过 PMA 路径获得批准。

  • 在欧盟,医疗器械的监管批准在 2021 年引入了新的法规,制造商可以在过渡期间根据医疗器械指令提交数据进行审批。

  • 一些 PAI 平台已达到商业化阶段,如德国 iThera Medical GmbH 的 multispectral optoacoustic tomography(MSOT)Acuity Echo 和日本 Luxonus Inc. 的 LME-01。

  • IPASC 将 PAI 添加到 DICOM 标准中,PAUSI 程序已被美国医学协会批准并分配了当前程序术语(CPT)类别 III 代码,这使得 PAI 更接近广泛的临床应用。

展望
  • PAI 在组织中以高分辨率可视化光学对比方面具有显著能力,能够穿透深层组织,无需外源性对比剂即可可视化形态和功能特征。

  • 过去十年中,众多试点和临床研究展示了 PAI 在多种人体器官系统疾病的筛查、诊断和监测中的优势,研究人员正在努力克服当前的技术和非技术限制,建立标准化和监管批准。

  • 2021 年 PAI 获得 FDA 批准,2023 年被纳入 DICOM 标准,标志着其向商业化医疗成像模式的转变

  • 未来需要进一步改进硬件和软件,如优化激光源、系统配置和超声传感器,开发图像处理算法,以及将人工智能应用于 PAI 以提高图像质量和诊断效率。




文章链接

https://doi.org/10.1038/s44222-024-00240-y



  • 欢迎投稿最新科研成果,对于具有创新性和转化价值的研究成果,我们期待以访谈形式报道。

  • 本公众号免费为科研机构及课题组发布招聘信息,请添加下方微信发送招聘文档。

  • 欢迎添加下方微信备注研究方向加入超声交流群!

超声前沿
聚焦超声成像、超声治疗、超声换能器等领域,关注超声前沿进展、应用、资讯!
 最新文章