前言
醫(yī)學(xué)影像已經(jīng)成為生命科學(xué)研究、臨床診斷和疾病監(jiān)測的重要手段。目前，醫(yī)療標準數(shù)據(jù)中超過90%的數(shù)據(jù)來自于醫(yī)學(xué)影像。從X線機、CT、MRI、US、OCT到核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備等，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備種類繁多，各有千秋，但又有各自的局限性。光聲成像是一種無損的，結(jié)合光學(xué)成像的高對比度和超聲成像的深穿透性優(yōu)勢的新型醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。光聲CT作為發(fā)展最早的光聲成像技術(shù)之一，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)在科研和臨床應(yīng)用等各方面都取得了巨大的進步。一起來看看光聲CT是如何“傾聽”光的聲音層析身體的吧！
一、“傾聽”光的聲音層析身體
光聲計算機斷層掃描（Photoacoustic Computed Tomography,PACT），也被稱為熱聲斷層掃描 (Thermoacoustic tomography,TAT) 或光聲斷層掃描 (Optoacoustic Tomography,OAT)，是一種結(jié)合了傳統(tǒng)光學(xué)成像的光學(xué)對比度優(yōu)勢（可以增加成像信息的豐富程度）和傳統(tǒng)超聲成像的聲學(xué)分辨率優(yōu)勢（能夠在幾厘米的成像深度內(nèi)仍保持較高的分辨率），利用貝爾發(fā)現(xiàn)的光聲效應(yīng)（當物體在周期性變化的光照下會產(chǎn)生聲信號的現(xiàn)象）來獲取生物體組織影像，并經(jīng)過計算機重建的成像技術(shù)。
Alexander A. Oraevsky博士是最早研究生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)的科學(xué)家之一。1980年代末，Alexander A. Oraevsky在前蘇聯(lián)莫斯科科學(xué)院用鐳射切除軟組織時，意外地發(fā)現(xiàn)被激光脈沖照射的軟組織周圍會出現(xiàn)超聲波，由此聯(lián)想利用接收到超聲波可以對生物體組織進行成像。如今，光聲成像通常會用時長為納秒級的激光脈沖照射生物體，被照射的生物體組織中的生色團吸收脈沖光能量并發(fā)生非輻射躍遷，組織會瞬間溫升產(chǎn)生熱彈性膨脹，進而以超聲波的形式向外傳播。使用超聲換能器可以獲取生物體組織向外傳播的超聲波，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，重建組織內(nèi)的初始聲壓分布,進而反演出光吸收系數(shù)、熱膨脹特性參數(shù)等的空間分布，從而獲得組織的結(jié)構(gòu)和功能等信息。
根據(jù)圖像重建方式的不同，光聲成像可以分為光聲CT和光聲顯微成像。光聲CT可以實現(xiàn)厘米級別的穿透深度，快速且大范圍成像，在小動物成像、乳腺成像、腦功能成像等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。到 2028 年，光聲CT全球市場規(guī)模預(yù)計將從 2021 年的 6112 萬美元達到約2.1億美元；預(yù)計從 2021 年到 2028 年，復(fù)合年增長率將達到 19.2%。
二、光聲CT的最新研究進展
由于心臟周圍的肋骨和肺會遮擋超聲信號，心臟成像曾一直是光聲成像較難觸及的領(lǐng)域。但近期，浙江大學(xué)和加州理工大學(xué)共同發(fā)布的一篇論文顯示，心臟成像將不再是光聲成像的“盲區(qū)”。浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院林勵教授及其團隊在改進開發(fā)的三維光聲計算層析成像（three-dimensional photoacoustic computed tomography，3D-PACT）平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了大鼠心臟無創(chuàng)三維成像，基于對照明和探測方案的優(yōu)化，能夠很好地降低通過胸壁的光學(xué)衰減和聲學(xué)失真的影響。
林勵教授及其團隊最初開發(fā)的3D-PACT是針對乳腺癌成像的，能在 10 秒內(nèi)完成全乳腺掃描并提供4厘米的成像深度。但因為疫情的影響，林勵教授及其團隊便將3D-PACT拓展到臨床前研究。在用3D-PACT運用在小動物腦成像取得了令人滿意的結(jié)構(gòu)后，林勵教授及其團隊又將目光投向了光聲成像的“盲區(qū)”心臟成像。
通過 3D-PACT 獲得的大鼠心臟結(jié)構(gòu)圖像
林勵教授及其團隊改進開發(fā)的3D-PACT，擁有一個超大的超聲孔徑，可以提供半全景超聲探測視角，有助于減弱肋骨和肺部組織對超聲信號的遮擋。同時，采用波長為 1064 納米的光照，在生物組織中經(jīng)過相對較少的散射，達到更深的穿透深度，覆蓋整個心臟。此外，在掃描過程中，通過同步 3D-PACT 與心電圖測量，利用心跳周期引導(dǎo)光聲信號時間門控采集。進而無創(chuàng)、清晰地展示了活體大鼠心臟的整體解剖結(jié)構(gòu)和功能特性。據(jù)了解，該團隊研發(fā)的 3D-PACT 擁有非常廣泛的應(yīng)用場景，可以用于大多體表病灶，包括乳腺癌、甲狀腺癌、皮膚癌等，同時也具備成像嬰幼兒心臟和心血管的潛力。
三、光聲CT代表性廠家
（一）TomoWave Laboratories
TomoWave Laboratories 是一家專門開發(fā)生物醫(yī)用的光聲CT的創(chuàng)新型醫(yī)學(xué)影像公司，在光聲CT成像、傳感和監(jiān)測方面擁有豐富的經(jīng)驗。與使用具有電離輻射的 X 射線成像射或使用造影劑成像或?qū)崿F(xiàn)成像過于昂貴的現(xiàn)有技術(shù)相比，TomoWave Laboratories在癌癥和血管疾病的醫(yī)學(xué)成像方面取得了一些突破。TomoWave 還正在開發(fā)用于診斷、圖像引導(dǎo)手術(shù)和監(jiān)測熱療的 4D光聲CT。
LOUISA-3D 是一種非侵入性臨床乳腺成像，可生成乳房的三維體積圖像，以及用于圖像聯(lián)合配準的二維超聲圖像。這些圖像以高空間分辨率顯示微循環(huán)、血氧和分子組成的功能信息。結(jié)合基于超聲的解剖圖像，可為醫(yī)生提供全面的診斷、手術(shù)和治療信息。
（二）武漢和視光聲科技有限公司
武漢和視光聲科技有限公司是一家總部位于武漢光谷生物城的創(chuàng)新科技公司，致力于光聲計算機斷層掃描技術(shù)(PACT)的研發(fā)及應(yīng)用，主要針對人體乳腺和小動物全身進行無電離輻射傷害的功能成像。公司董事長汪立宏教授是美國工程院院士，世界光聲成像技術(shù)的開拓者。武漢和視光聲的PACT已經(jīng)實現(xiàn)了完整、高質(zhì)量的人體內(nèi)乳腺腫瘤和小動物全身的活體成像。
人體乳腺光聲成像系統(tǒng)(SBH-PACT)可以顯示人體乳房的詳細血管結(jié)構(gòu)。SBH-PACT可實現(xiàn)人體內(nèi)4厘米深度的組織成像，具有極高的空間分辨率和時間分辨率（255 μm 平面分辨率和10 Hz 的2D幀速率）。通過掃描整個乳房（屏氣15秒），獲得3D立體圖像，可以忽略呼吸引起的運動偽影。適合成像的乳房大小從A到DD，也適合各種不同膚色的患者。SBH-PACT通過血管密度的異常來找出腫瘤組織。除了血管成像之外，SBH-PACT的高成像速度可以進行動態(tài)研究，如光聲彈性成像，它通過顯示與正常彈性的不符來提供腫瘤的二次確認。
四、結(jié)語
和傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備越來越集成化、小型化、便攜化一樣，PACT也面臨如何降低設(shè)備的成本和如何更小型化的挑戰(zhàn)。PACT系統(tǒng)的成本主要花費在陣列式超聲換能器、激發(fā)光源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上。此外，目前PACT常用的激光器和陣列式換能器的尺寸都較大。如何在降低成本且減小尺寸的情況下，依然能成像高質(zhì)量的影像是工程師不得不面對的問題。期待PACT能造福更多的患者。
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