微血管病理评估

微血管病理的临床评估（例如糖尿病和炎症性皮肤病）需要可视化浅表血管解剖。光学成像技术因其能够可视化血管解剖、氧合和血流而具有前景。然而，组织的强光散射限制了穿透深度或空间分辨率。传统的光学显微镜、光学相干断层扫描和其他依赖于非散射弹道光子的方法可以提供毛细血管水平的微血管图像，但仅限于亚毫米深度。利用漫射或半弹道光子的激光多普勒或散斑对比成像技术提供了更大的穿透深度。然而，光散射限制了空间分辨率，导致空间平均图像无法显示单个微血管水平的微血管结构。超声（US）成像可以克服光学技术的深度/分辨率限制，但也带来了其他挑战。传统的非对比临床多普勒超声与新兴的超快平面波超声相比，微血管对比度较差，灵敏度更高。然而，两者都依赖于对运动血液的检测，从而限制了它们对缓慢运动或静止血液的敏感性。

基于全光法布里-珀罗（FP）超声传感器的光声断层扫描（PAT）扫描仪可以提供非常详细的3D微血管图像。使用大面积脉冲激光束泛光照射组织，血红蛋白的光吸收产生脉冲加热和随后产生的宽带超声波。通过检测皮肤表面的这些波，可以重建脉管系统的图像。由于超声波在组织中的散射远小于光子，PAT避免了影响光学方法的距离分辨率限制：可以实现厘米级的穿透深度，深度依赖的空间分辨率范围为几十到几百微米。然而，长达几分钟的采集时间阻碍了它们的临床应用。

全光三维光声扫描仪

伦敦大学学院P. Beard等人的研究表明，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和利用压缩传感，扫描时间可以缩短到几秒钟甚至几百毫秒。具有这种快速采集的PAT扫描仪最大限度地减少了与运动相关的伪影，并允许对单个小动脉、小静脉、静脉瓣膜和毫米级动脉和静脉进行体积可视化，深度接近15毫米，以及时变组织灌注和其他血流动力学事件的动态3D图像。在探索性案例研究中，作者使用扫描仪来可视化和量化与外周血管疾病、皮肤炎症和类风湿性关节炎相关的微血管变化。快速全光PAT有望在心血管医学、肿瘤学、皮肤病学和风湿病学中发挥巨大的作用。相关工作以“A fast all-optical 3D photoacoustic scanner for clinical vascular imaging”为题发表在Nature Biomedical Engineering。

【文章要点】

如图1所示，本研究展示了一种实用的基于FP的扫描仪，它包含了用于产生光声波的光学参量振荡器（OPO）激发激光系统和用于将它们映射到皮肤表面的FP超声扫描仪。OPO发射700-900nm光谱范围内的纳秒激光脉冲，组织衰减低，并将其耦合到传输光纤中。光从光纤的远端发出，产生一个大直径（>20mm）的光束，入射到FP超声传感器头上，其声敏元件是薄膜聚合物FP干涉仪（FPI）。由于FPI在560-1300nm波长范围内是透明的，激发光束穿过传感器并泛光照射下层组织，从而产生宽带超声波。这些波传播到FPI，在那里它们调制其光学厚度，从而调制从两个FPI反射镜反射的光之间的干涉，导致反射光功率的调制。然后，通过逐步在传感器表面上顺序扫描多达64个聚焦激光束的阵列来读取后者，每个激发激光脉冲一步。通过这种方式，入射光声波场的时空分布可以在2D中映射，从而能够重建3D图像。

图1 基于多波束FP的PAT扫描仪

这一仪器可以通过克服早期系统的缓慢速度来满足快速采集的临床需求。通过利用并行传感器读出方案、高脉冲重复频率（PRF）激发激光器和压缩传感技术，研究实现了明显更快的采集行为。研究证明，扫描时间可缩短至几秒钟甚至几百毫秒，从而能够在人体内重复获取没有运动伪影的高保真3D图像。此外，该仪器可以进行动态3D成像，允许实时放置探头和可视化动态生理事件。因此，采集速度的提高释放了该技术的临床潜力（图2）。

图2 动态PAT成像

作者通过在志愿者和医院患者身上评估扫描仪来说明扫描仪可以提供快速、高度详细的血管解剖和功能的体积图像，并表明它可以在各种解剖位置提供详细的3D血管图像，并可以可视化与糖尿病、皮肤炎症和类风湿性关节炎相关的微血管变化。研究表明，该仪器可以获得深度接近15毫米的高分辨率3D图像，显示毛细血管环、小静脉、小动脉和大毫米级的动脉和静脉，以及静脉瓣膜、皮肤沟和毛囊等其他结构。此外，临床病例研究表明，浅表脉管系统的几何参数可以量化并随时间纵向跟踪（图3）。此外，研究还说明了如何可视化和量化血管异常，如之前与PVD相关的血管迂曲增加，以及与炎症相关的新生血管形成。总之，这些结果表明，使用该系统可以可视化各种结构血管特征，这可能为检测、诊断和治疗监测以微循环异常为特征的疾病和损伤过程提供信息。

图3 炎症反应的PAT图像

【结论与展望】

总之，该研究报道了一种高保真3D PAT扫描仪，可以在临床可接受的采集时间内提供浅表血管解剖结构的快速、详细的体内3D图像。提供的图像细节表明证明了这一仪器可以作为一种工具应用于以微循环异常为特征的糖尿病或癌症等疾病的临床检测、诊断和治疗监测。高图像保真度、快速采集、设计多功能性和该技术的实用性的结合为其在肿瘤学、心血管医学、皮肤病学、图像引导手术和其他医学专业的临床转化奠定了基础。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-024-01247-x