作為近年來興起的無創(chuàng)探測技術(shù)，光聲斷層掃描可以對生物組織的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行高時空分辨率的功能性成像。

然而，在不進(jìn)行外科開胸手術(shù)的情況下，光聲斷層掃描在心血管領(lǐng)域的成像質(zhì)量一直受到照明方式與探測技術(shù)的限制，從而無法清晰揭示整個心臟的解剖結(jié)構(gòu)以及血管系統(tǒng)的動態(tài)。

近日，加州理工學(xué)院Lihong V. Wang團(tuán)隊利用最近開發(fā)的三維光聲斷層掃描（3D-PACT）平臺對大鼠心臟進(jìn)行了三維無創(chuàng)成像，通過改進(jìn)照明與探測方式減少通過胸腔的光學(xué)衰減和聲學(xué)失真的影響，并與心電圖檢測進(jìn)行同步測量，從而清晰地展示了心臟的動態(tài)解剖結(jié)構(gòu)。

該技術(shù)進(jìn)而可被用于揭示健康、高血壓和肥胖大鼠之間心臟的結(jié)構(gòu)和功能性差異，如心腔大小、心臟壁厚和血流動力學(xué)變化。3D-PACT這一基于大鼠的無創(chuàng)應(yīng)用將有助于動物模型的研究與診斷，并進(jìn)而有望通過臨床轉(zhuǎn)化造福人類新生兒心血管成像。

該成果以“Non-invasive Photoacoustic Computed Tomography of Rat Heart Anatomy and Function”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。浙江大學(xué)的林勵與加州理工學(xué)院的Xin Tong為本文的共同第一作者，加州大學(xué)洛杉磯分校的Tzung K. Hsiai 與加州理工學(xué)院的Lihong V. Wang為本文的共同通訊作者。

作為全球死亡率最高的疾病之一，心血管疾病在臨床與動物實驗上被廣泛研究，而心臟區(qū)域的無創(chuàng)探測技術(shù)在其中起到了至關(guān)重要的作用。

目前，主流的心血管無創(chuàng)成像技術(shù)包括超聲心動圖成像、核磁共振成像、X射線斷層掃描以及正電子發(fā)射斷層掃描等，而這些技術(shù)在空間分辨率、視場、適用范圍方面各有優(yōu)劣。

近年來，光聲成像作為一種新興的無創(chuàng)成像技術(shù)日益受到關(guān)注。因其結(jié)合光學(xué)照明與聲學(xué)探測，故同時具備光學(xué)成像的分子吸收譜與超聲成像的穿透深度與高時空分辨率。同時，光聲成像無需磁場、電離輻射或注射造影劑，因此在安全性、便攜性與建造成本上都有著獨特的優(yōu)勢。

盡管有著如上所述的優(yōu)勢與特色，光聲成像在心臟領(lǐng)域的研究一直受限，尤其是無創(chuàng)三維成像的圖像質(zhì)量長期以來并不理想，其主要原因有三。

首先，心臟部分被肋骨與肺包圍，而肋骨與肺在一定程度上阻礙了超聲的傳播，進(jìn)而導(dǎo)致超聲探測質(zhì)量受限。

其次，光聲成像依賴于分子的光學(xué)吸收，而心臟作為血液循環(huán)的中樞，其中的血紅蛋白與肌紅蛋白的含量極高，進(jìn)而局限了激發(fā)光在組織中的穿透深度。

第三，心臟的活體成像普遍受到心跳周期的影響。心跳周期一方面提供了血流動態(tài)的豐富信息，另一方面也會使圖像模糊而影響成像質(zhì)量。

近年來，加州理工學(xué)院Wang團(tuán)隊搭建了一系列光聲斷層成像設(shè)備，適用于不同分辨率、不同視角、不同生物樣本的研究。其中，名為3D-PACT的半球狀光聲斷層成像系統(tǒng)成功展示了人類大腦、乳房以及大鼠大腦的血管分布。

近日，該團(tuán)隊基于該系統(tǒng)，采用了心電圖同步探測技術(shù)，并進(jìn)一步優(yōu)化了照明與探測結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而首次清晰展示了活體大鼠心臟跳動的三維光聲圖像。基于此系列圖像的高時空分辨率，該團(tuán)隊對三種大鼠（正常、肥胖以及高血壓）的多種心血管參數(shù)（如心室/心房體積、心臟壁厚、主要血管中的血流動力學(xué)變化）進(jìn)行了系統(tǒng)分析及對比，從而展示了該系統(tǒng)以及光聲成像技術(shù)在心血管臨床成像領(lǐng)域的獨特潛力。

實驗過程與結(jié)果

圖1：3D-PACT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、大鼠實驗過程、心電圖同步檢測過程示意圖。

在聲學(xué)探測方面，3D-PACT系統(tǒng)由4條圓弧狀的超聲探測器陣列組成，該陣列可圍繞球心進(jìn)行90°的密集掃描，從而在10秒內(nèi)生成半球狀的探測矩陣，其空間分辨率適用于大鼠的血管尺寸。

在光學(xué)照明方面，該系統(tǒng)配備了重復(fù)頻率為50 Hz的近紅外納秒脈沖激光器，以對心跳周期進(jìn)行密集的時間采樣。

此外，為捕捉心跳周期的動態(tài)信息，該系統(tǒng)配備了心電圖采樣設(shè)備，在成像掃描區(qū)間內(nèi)同步進(jìn)行心電圖檢測。

最后，心電圖曲線與光聲數(shù)據(jù)將被同步，不同周期內(nèi)相同相位的心臟信號將被疊加、平均、重建，從而形成動態(tài)的三維心臟圖像。

圖2：大鼠心臟搏動周期不同相位的光聲結(jié)構(gòu)圖像。

重建圖像展現(xiàn)了心臟的周期性運(yùn)動，心臟周邊主要的血管（如主動脈、肺動脈、冠狀動脈等）也清晰可見。為比較正常、肥胖以及高血壓大鼠的心臟結(jié)構(gòu)差異，該團(tuán)隊采用相同流程采集了多只大鼠的心臟圖像，并從其中提取出以下數(shù)據(jù)。

首先，基于中間層截面靜態(tài)圖像，正常與肥胖大鼠左右心室壁的厚度有統(tǒng)計顯著差異；

其次，基于三維動態(tài)圖像，正常、肥胖與高血壓大鼠心房與心室的體積變化各有特點；

最后，基于多截面動態(tài)圖像，正常、肥胖與高血壓大鼠各主要血管內(nèi)光聲信號變化（間接反映了血流動態(tài)變化）的趨勢也各不相同。

上述觀察與離體剖面圖等數(shù)據(jù)吻合，進(jìn)而驗證了3D-PACT捕捉心臟動態(tài)變化的能力。

圖3：正常、肥胖與高血壓大鼠心房/心室與血管信號隨心臟周期變化曲線。

在這項工作中，研究人員通過改進(jìn)優(yōu)化三維光聲斷層成像系統(tǒng)首次展現(xiàn)了大鼠搏動心臟的清晰三維光聲動態(tài)圖像，并分析了正常、肥胖與高血壓大鼠心臟在結(jié)構(gòu)與功能上的各種差異。

該無創(chuàng)成像系統(tǒng)結(jié)合了高速、高分辨率、光學(xué)吸收譜成像等特色，希望將在人類新生兒心臟成像等臨床領(lǐng)域發(fā)揮更多潛力。

| 論文信息 |

Lin, L., Tong, X., Cavallero, S. et al. Non-invasive photoacoustic computed tomography of rat heart anatomy and function. Light Sci Appl 12, 12 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01053-7

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