三维全景光声计算断层成像实现跨区域全身实时生理动态可视化

《Nature Communications》：Cross-regional real-time visualization of systemic physiology and dynamics with 3D panoramic photoacoustic computed tomography (3D-PanoPACT)

　　本研究针对非侵入性全身成像中视野、时空分辨率和成像质量的挑战，开发了3D-PanoPACT系统。该系统结合动态功能对比、高时空分辨率和宽广三维视野，实现了从器官到全身水平的跨区域动态可视化。研究人员成功对全肝（25 Hz）、全脑血管网络及功能血流动力学进行了实时监测，并追踪了小分子探针A1094在多个器官中的代谢途径，为生物医学研究提供了强大的新型成像工具。

　　

在生物医学研究中，非侵入性全身可视化技术至关重要。然而，现有成像方式各有限制：磁共振成像（MRI）存在高成本、强磁场和长时间扫描的问题；X射线计算机断层成像（X-CT）缺乏软组织对比且不适合动态成像；正电子发射断层成像（PET）空间分辨率差；超声成像（USI）缺乏内源性分子对比；光学成像（OI）则受限于生物组织中强烈的光散射，成像深度通常仅为1-2毫米。光声计算断层成像（PACT）作为一种新兴模态，通过结合光脉冲照射和声学检测，能够以声学分辨率和光学对比度可视化深部组织的光学吸收，为小脊椎动物的全身成像带来巨大希望。

尽管如此，现有的PACT系统仍面临时空分辨率低、视野（FOV）受限和图像质量未优化等挑战。例如，一些系统采用128或256个超声换能器集成在半球形表面上，但由于角度稀疏采样，视野外仍存在伪影。其他研究采用512元素穹顶型阵列进行光栅和角度扫描以实现全身干成像，但成像速度慢和穿透深度浅限制了其功能成像应用。还有通过高速旋转弧形阵列实现大视野和相对高帧率的3D PACT系统，但其在小型动物全身成像中的应用能力尚未得到证实。

为此，研究人员开发了三维全景光声计算断层成像（3D-PanoPACT）系统，以克服这些限制。该系统利用斐波那契网格排列的高密度换能器阵列，通过严格的工程设计和校准，在可扩展的视野内实现高保真、高时空分辨率成像，允许从全器官到全身水平的生理动力学分析。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，系统采用1024元 hemispherical ultrasonic transducer array（HUTA）按斐波那契网格排列，换能器中心频率3.16 MHz，带宽60%，并通过点吸收体校准了元件位置；其次，采用双波长激光（1064 nm和670-900 nm可调输出）照明，支持25 Hz单波长和10 Hz双波长成像模式；第三，开发了spatiotemporal-integration（STINT）方法，通过阵列小角度旋转合成等效高密度检测阵列，扩大视野并提高成像质量；第四，应用electrical impulse response（EIR）去卷积和光学 fluence 补偿，增强图像定量准确性；最后，使用双声速 universal back-projection 算法进行图像重建，并结合体内实验（小鼠模型）进行验证。

Development and calibration of 3D-PanoPACT

研究人员构建了3D-PanoPACT系统，包括 hemispherical ultrasonic transducer array（HUTA）、256通道并行模数转换模块、双激光照明系统和定制动物支架。通过点吸收体校准了每个换能器元件的空间位置，确保径向偏差在±0.5 mm内，并校准了系统旋转轴，改善了大视野边缘的分辨率和对比度。换能器元件尺寸经仿真优化，确定半径为2.5 mm可在检测灵敏度和接收孔径角之间达到最佳平衡。

Results

利用3D-PanoPACT，研究人员在25 Hz下对全肝进行成像，提取心跳和呼吸信号，并绘制了3D动脉网络和与脉冲波相关的肝叶相位梯度。单波长成像清晰显示了肝叶的血管形态和细节。此外，系统以10 Hz帧率获得了真实的全脑血管解剖结构，特别生动描绘了基本颅动脉结构Willis环（Circle of Willis），并记录分析了从Willis环到皮层的全脑功能动力学。

Label-free visualization of whole-trunk dynamics in 3D-PanoPACT

通过结合阵列旋转和动物支架的二维平移，3D-PanoPACT实现了全躯干的高质量动态成像。从前视图和后视图分别显示了丰富的血管网络和器官形态，包括消化系统、男性生殖系统和泌尿系统。成像深度达到至少20 mm，深部组织表现出较高的信噪比（SNR）。呼吸运动被捕获，其他器官在每次呼吸运动周期中受到挤压和位移。

High-spatiotemporal-resolution tracking of small molecule metabolic pathways at whole-body scale

研究人员追踪了小分子探针A1094在全身的代谢途径。通过宽场照明和STINT方法，系统以0.2 Hz帧率完成全身成像，实现了高时空分辨率。A1094的吸收峰接近1064 nm，适合深部组织光声成像。实验显示，A1094首先到达心脏，随后在肝、肠、肠系膜动脉和输尿管中观察到信号变化，揭示了其代谢路径。高分辨率器官测量与全身代谢趋势高度一致，证实了3D-PanoPACT在全身代谢监测中的准确性。

Cerebrovascular network anatomy and real-time functional dynamics in 3D-PanoPACT

3D-PanoPACT提供了高质量的全脑解剖和动态功能图像。通过去除部分顶骨和使用低剂量甘露醇减轻脑肿胀，系统以10 Hz双波长照明揭示了丰富的脑血管结构。STINT方法的应用确保了全脑视野内的高时空分辨率。实时监测显示了钠硝普钠（SNP）给药引起的脑血管动力学反应，静脉血氧饱和度（sO₂）下降，而动脉如大脑前动脉（ACA）保持接近100%的sO₂。Willis环在平衡全脑前后部血液供应中发挥潜在作用。

Discussion

3D-PanoPACT系统在非侵入性成像解剖结构和功能动力学方面表现出色，具有高时空分辨率、高保真度和宽广的3D视野。其斐波那契网格阵列设计支持单脉冲3D成像能力，STINT方法通过小角度旋转实现空间上采样，扩大视野且仅最小化牺牲时间分辨率。 meticulous 工程实施，包括换能器设计验证、前置放大器集成、噪声屏蔽和双声速重建，共同决定了成像性能。与现有先进PACT系统相比，3D-PanoPACT在实时成像、分辨率和深度方面具有显著优势，特别是在Willis环的解剖可视化和功能监测方面独树一帜。

然而，3D-PanoPACT仍有改进空间。例如，当前激光脉冲重复率限制了捕获超快生理过程的能力；换能器材料带宽有限；大视野中的空间脉冲响应（SIR）影响分辨率。未来通过提高激光重复率、优化换能器材料和应用空间去卷积，可进一步提升系统性能。

总之，3D-PanoPACT作为一款强大的新型成像工具，在推进生物技术方面展现出巨大潜力。其能够可视化全身生理动态、追踪小分子代谢和研究多器官协同机制，为生命科学和医学研究提供了前所未有的视角。