【Nat.Biomed.Eng.】数百毫秒超快、15毫米超深，用于临床血管成像的全新光学扫描系统
在临床领域，对微血管病变如糖尿病和炎症性皮肤病的评估，需要能够可视化组织中亚厘米深度的微血管。一种新型的全光三维光声扫描仪（PAT），利用法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP）超声传感器，能够提供极其详细的三维微血管图像。本文将详细介绍这一技术及其在临床血管成像中的应用。
摘要
临床评估微血管病变，如糖尿病和炎症性皮肤病，需要可视化组织中亚厘米深度的微血管。全光三维光声层析成像（PAT）扫描仪以其详细的三维微血管成像能力，展现出在临床领域的应用潜力。然而，早期的PAT扫描仪采集时间过长，限制了其在临床上的应用。本研究通过并行化传感器读出、高脉冲重复频率激发激光器和压缩传感技术，显著缩短了扫描时间，使其能够快速获取高质量的三维图像，减少了运动相关伪影，并能动态观察组织灌注和血流动力学事件。
图 1：基于 FP 的多波束 PAT 扫描仪。
主要内容
在临床管理各种血管异常中，对微血管的可视化至关重要。光学成像技术虽然能够提供血管解剖、氧合和流动的信息，但组织对光的强散射限制了其成像深度和空间分辨率。而传统的光学显微镜、光学相干断层扫描等技术，尽管能够提供毛细血管级别的图像，成像深度却受限。超声成像虽能提供更深的穿透，但对微血管的对比度不足，且无法测量血液含氧量。
光声成像技术提供了一种新的解决方案。它通过检测血红蛋白产生的超声波来重建血管图像，能够克服光学方法的局限，实现厘米级穿透深度和更好的空间分辨率。此外，PAT技术直接检测血液中的血红蛋白，相较于超声技术，它能揭示低速流动或静止的血管，以及进行血液含氧量的光谱测量。
尽管PAT技术具有巨大的潜力，但其在实际应用中面临着技术挑战，尤其是在对浅表血管进行成像时。为了精确记录光声波场，需要具有广泛的检测带宽和精细的空间采样能力的传感器。传统的压电超声传感器在灵敏度和透明度上无法满足要求。而基于光学共振结构的FP传感器，以其宽带宽、小尺寸、高灵敏度和光学透明性，展现出了在PAT扫描中的潜力。
图 2：加速 PAT 采集模式。
研究结果
1. 快速全光三维光声扫描仪的突破
最新的研究成果展示了一种快速全光三维光声扫描仪，它能够在临床可接受的时间内提供高分辨率的血管成像。这项技术的核心在于利用并行化传感器读出、高脉冲重复频率（PRF）的激发激光器以及压缩传感技术，显著提高了数据采集速度。
图 3：手部和手腕区域的 PAT 图像。
技术亮点：
• 并行化传感器读出：通过同时读取多个传感器数据，提高了扫描速度。
• 高PRF激发激光器：使用高脉冲重复频率的激光器，进一步提高了成像速度。
• 压缩传感技术：采用先进的信号处理技术，减少了成像所需的数据量，从而加快了成像速度。
2. 详细的三维血管成像
研究中，这种新型扫描仪能够提供深度接近15毫米的高分辨率三维血管图像，包括毛细血管襻、静脉瓣膜和较大的动脉血管。这些图像的质量和细节水平可与以前的技术相媲美，甚至更好，但采集时间大大缩短。
图 4：以高分辨率扫描模式获取的手腕和甲床血管的 PAT 图像。
成像能力：
• 深度和细节：能够观察到深度达15毫米的血管细节。
• 多种血管结构：包括小血管、静脉瓣膜和大血管在内的多种血管结构。
3. 动态三维成像
新型扫描仪不仅能够提供静态的三维图像，还能够进行动态三维成像，实时显示血管和其他生理事件的变化。这对于观察血流动力学变化和血管反应具有重要意义。
图 5：动态 PAT 成像
动态成像应用：
• 实时监测：能够实时监测血管的动态变化。
• 血流动力学事件：可以观察血管在受到刺激后的血流变化。
4. 临床案例研究
在临床案例研究中，这种扫描仪被用于评估外周血管疾病、皮肤炎症和类风湿性关节炎患者的血管变化。这些初步研究展示了扫描仪在实际临床环境中的应用潜力。
临床应用示例：
• 外周血管疾病：评估糖尿病足患者的微血管变化。
图 6：疑似外周血管疾病患者足部的 PAT 图像
• 皮肤炎症：监测炎症区域的血管生成。
图 7：炎症反应的 PAT 图像
讨论
该研究开发的高分辨率三维PAT扫描仪，不仅能够提供快速、详细的活体血管成像，而且具有设计灵活性，能够根据不同的临床需求进行调整。其快速的采集速度和高图像质量，使其在多种医学专业中具有广泛的应用潜力。
研究者们还探讨了这种扫描技术的潜在发展方向，包括提高成像速度、增加穿透深度、集成其他成像模式以及开发适合不同临床需求的扫描仪设计。
未来技术发展：
• 提高成像速度：通过技术改进，实现更高的帧率。
• 增加穿透深度：通过改进传感器设计，提高成像深度。
• 多模态成像：结合光学相干断层扫描（OCT）或荧光成像等其他成像技术。
• 临床定制：开发适合特定临床应用的扫描仪。
参考文献
Huynh, N.T., Zhang, E., Francies, O. et al. A fast all-optical 3D photoacoustic scanner for clinical vascular imaging. Nat. Biomed. Eng (2024). https://doi.org/10.1038/s41551-024-01247-x
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