光聲層析成像：洞察生命微觀與宏觀的醫(yī)學(xué)影像新勢(shì)力

在生物醫(yī)學(xué)成像的漫漫征途中，光聲層析成像（PAT）宛如一顆璀璨的新星，正以迅猛之勢(shì)重塑著生命科學(xué)研究與臨床診療的格局。

PAT誕生之源：突破光學(xué)顯微鏡困境
傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，作為生命科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)者，在組織成像時(shí)卻深陷光學(xué)散射的泥沼。光子于組織內(nèi)頻繁散射，致使傳播方向雜亂無(wú)章，成像信號(hào)隨深度呈指數(shù)衰減，在約1mm的傳輸平均自由程（TMFP）處幾近消逝，眾多生物奧秘與疾病機(jī)制因此隱匿于黑暗之中。

PAT仿若破局者降臨，其根基深植于1880年貝爾發(fā)現(xiàn)的光聲效應(yīng)。當(dāng)組織內(nèi)靶點(diǎn)沐浴在短促激光脈沖下，部分能量被吸納轉(zhuǎn)化為熱，引發(fā)局部壓力急劇躍升，壓力波以超聲之態(tài)向外擴(kuò)散，恰如隱秘信息的使者。超聲換能器敏銳捕捉這些信號(hào)，依據(jù)其抵達(dá)時(shí)間精準(zhǔn)回溯源頭，一幅清晰的光聲圖像便徐徐展開(kāi)。尤為精妙的是，PAT將信號(hào)產(chǎn)生與探測(cè)巧妙分離，不僅能精準(zhǔn)捕捉光學(xué)吸收差異，更使漫射光子為成像添磚加瓦而非添亂，加之超聲散射微弱的特質(zhì)，使其于深層組織成像時(shí)分辨率絲毫不減，且杜絕了相干成像的斑紋瑕疵，為精準(zhǔn)洞察組織內(nèi)部架構(gòu)筑牢根基。

PAT多尺度成像體系：微觀至宏觀的無(wú)縫橋接
一、光柵掃描光聲顯微鏡（PAM）：微觀世界的精細(xì)畫師
PAM宛如一位微觀世界的丹青妙手，憑借單聚焦超聲換能器與激光束同軸聚焦，逐點(diǎn)雕琢，精心構(gòu)建3D影像畫卷。聲學(xué)分辨率PAM（AR-PAM）以聲學(xué)聚焦之力，成就15μm橫向與 45μm 軸向分辨率，在活體中可達(dá)3mm穿透深度，為毫米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)成像提供清晰視角；光學(xué)分辨率PAM（OR-PAM）則仰仗光學(xué)聚焦的神奇魔力，將分辨率提升至亞微米乃至納米層級(jí)，盡管受光子散射限制于1個(gè)TMFP深度，卻在細(xì)胞器微觀成像領(lǐng)域大顯身手。然而，傳統(tǒng)光柵掃描模式下的PAM成像速度遲緩，猶如遲緩踱步的老者。為打破這一僵局，科研人員巧妙引入光學(xué)掃描（約2Hz幀率）、機(jī)械掃描（約15Hz幀率）及二者融合的混合掃描（約6Hz幀率）等創(chuàng)新策略，恰似為其注入澎湃動(dòng)力，促使成像速度大幅躍升，使其在實(shí)時(shí)成像需求嚴(yán)苛的微觀研究場(chǎng)景中站穩(wěn)腳跟。

二、逆重建光聲計(jì)算機(jī)斷層掃描（PACT）：宏觀深度的探秘先鋒
PACT宛如一位無(wú)畏的宏觀深度探險(xiǎn)家，借助全場(chǎng)照明與多元件超聲陣列系統(tǒng)（或單元件換能器圓形掃描），無(wú)畏地向組織深處挺進(jìn)，大幅提升穿透深度與成像速率。其依據(jù)特定算法逆向重構(gòu)聲源分布，超聲陣列依據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景靈活變幻幾何形態(tài)，恰似變形金剛般適應(yīng)多樣需求。在激光與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高效協(xié)作下，幀率可飆升至50Hz，穿透深度拓展至數(shù)十個(gè)TMFP，成功跨越組織深層成像的重重障礙。盡管為兼顧穿透深度而在分辨率上有所妥協(xié)，降至數(shù)百微米，但在大尺度組織成像與功能監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，PACT始終是不可或缺的得力助手。與此同時(shí)，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)悄然崛起，憑借提升成像靈敏度與簡(jiǎn)化樣本-換能器耦合流程的顯著優(yōu)勢(shì)，為PACT技術(shù)革新開(kāi)辟嶄新航道。

三、旋轉(zhuǎn)掃描光聲內(nèi)窺鏡（PAE）：內(nèi)窺成像的革新尖兵
在PACT難以企及的體內(nèi)深部器官成像領(lǐng)域，PAE肩負(fù)使命應(yīng)運(yùn)而生。初代PAE探針以4.2mm纖細(xì)之軀與2.6Hz掃描頻率，開(kāi)啟心血管、胃腸道等器官無(wú)創(chuàng)內(nèi)窺成像新紀(jì)元。恰似精巧鑰匙，開(kāi)啟人體深部器官成像隱秘之門，為臨床精準(zhǔn)診斷與病情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植入洞察之眼，引領(lǐng)內(nèi)窺成像技術(shù)步入全新發(fā)展階段。

四、多模態(tài)融合PAT系統(tǒng)：優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的智慧結(jié)晶
PAT與超聲（機(jī)械對(duì)比）、OCT（光學(xué)散射對(duì)比）、共聚焦顯微鏡（散射/熒光對(duì)比）、雙光子顯微鏡（熒光對(duì)比）及 MRI（磁對(duì)比）等多種成像模態(tài)攜手聯(lián)姻，融合不同模態(tài)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。各模態(tài)于共享成像區(qū)域默契協(xié)作、圖像自動(dòng)精準(zhǔn)配準(zhǔn)，恰似多元智慧匯聚交融。如PAT與超聲融合，將功能信息與解剖結(jié)構(gòu)精妙融合，于疾病診斷中全方位綜合考量組織形態(tài)與生理功能，為精準(zhǔn)醫(yī)療診斷筑牢多維信息基石，引領(lǐng)生物醫(yī)學(xué)成像邁向更高精度、更多維度的智慧融合新境界。

PAT造影成像全景：從內(nèi)源性造影到外源性造影
一、內(nèi)源性造影的解剖與功能成像：生命內(nèi)在的精準(zhǔn)透視
1.血紅蛋白光聲層析成像
血紅蛋白作為血液光學(xué)吸收主角，在PAT成像舞臺(tái)上熠熠生輝。于小動(dòng)物全身血管成像領(lǐng)域，轉(zhuǎn)基因小鼠胚胎血管網(wǎng)絡(luò)清晰呈現(xiàn)，人體乳腺癌血管造影對(duì)比X射線mammography優(yōu)勢(shì)盡顯，可精準(zhǔn)定位微小腫瘤。微血管功能成像更是一絕，不僅量化血紅蛋白濃度與氧飽和度，更實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦、眼微血管及腫瘤血管細(xì)微變化，為神經(jīng)退行性疾病、眼科疑難病癥研究及癌癥診療策略優(yōu)化提供關(guān)鍵影像依據(jù)，恰似為科研人員與臨床醫(yī)生量身打造探秘生命微觀血液循環(huán)的 “金鑰匙”。

2.黑色素光聲層析成像
黑色素強(qiáng)大吸收特性使PAT在黑色素瘤早期無(wú)創(chuàng)檢測(cè)中獨(dú)當(dāng)一面。小鼠模型實(shí)驗(yàn)中，從腫瘤精準(zhǔn)定位、單細(xì)胞微觀成像到腦內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，全方位覆蓋黑色素瘤診療流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為皮膚癌早期精準(zhǔn)診斷與個(gè)性化治療方案制定點(diǎn)亮希望燈塔，有力推動(dòng)皮膚癌診療技術(shù)變革。

3.水與脂質(zhì)光聲層析成像
特定光譜區(qū)間內(nèi)水獨(dú)特強(qiáng)吸收特性，助力PAT水成像從理論構(gòu)想邁向現(xiàn)實(shí)。水-乙醇混合物光譜測(cè)量與組織模型驗(yàn)證初步成功，為體內(nèi)水成像臨床應(yīng)用筑牢理論與技術(shù)根基；脂質(zhì)于動(dòng)脈粥樣硬化斑塊研究中嶄露頭角，PAT精準(zhǔn)識(shí)別富含脂質(zhì)斑塊，深度剖析心血管疾病病理進(jìn)程，為心血管疾病早期預(yù)警與精準(zhǔn)干預(yù)提供關(guān)鍵影像洞察，守護(hù)心血管健康防線。

4.細(xì)胞核光聲層析成像
PAT以核酸為天然造影劑，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)細(xì)胞核無(wú)創(chuàng)3D成像。UV-PAM 技術(shù)激發(fā)DNA和RNA成功構(gòu)建細(xì)胞核微觀成像全新模式，小鼠唇上皮、腸道絨毛及耳皮膚細(xì)胞核成像成果斐然。該技術(shù)一舉革新癌癥細(xì)胞核成像診斷傳統(tǒng)范式，摒棄切片染色繁瑣流程，大幅提升癌癥早期診斷效率與精準(zhǔn)度，為癌癥診療戰(zhàn)役贏得關(guān)鍵戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。

二、外源性造影劑拓展成像邊界：分子影像的創(chuàng)新引擎
有機(jī)染料、納米粒子、熒光蛋白等外源性造影劑紛紛加盟PAT成像陣營(yíng)，極大拓展其功能邊界。有機(jī)染料家族成員如ICG、IRDye800-NHS等，憑借近紅外波段吸收優(yōu)勢(shì)提升成像深度、靶向腫瘤細(xì)胞等關(guān)鍵部位，于腦成像、腫瘤靶向診斷、淋巴節(jié)點(diǎn)定位等前沿領(lǐng)域?qū)伊��?zhàn)功；納米粒子依憑尺寸可調(diào)吸收光譜與卓越靶向性能，在多種疾病模型成像研究中大放異彩，精準(zhǔn)導(dǎo)航至病變部位，為疾病分子機(jī)制研究與靶向治療療效評(píng)估提供高分辨率影像支撐，驅(qū)動(dòng)靶向成像技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展浪潮；熒光蛋白攜手PAT多光譜技術(shù)，成功突破光學(xué)顯微鏡成像深度瓶頸，斑馬魚(yú)體內(nèi)mCherry蛋白成像實(shí)驗(yàn)中，PACT技術(shù)以超越傳統(tǒng)共聚焦顯微鏡數(shù)倍穿透深度清晰呈現(xiàn)蛋白分布，為生物分子成像解鎖全新深度維度，激發(fā)生物醫(yī)學(xué)微觀研究創(chuàng)新活力。

三、流體動(dòng)力學(xué)光聲層析成像：血流監(jiān)測(cè)的前沿突破
PAT于流體動(dòng)力學(xué)成像領(lǐng)域創(chuàng)新方法多元涌現(xiàn)，基于光聲多普勒效應(yīng)、納米棒激光誘導(dǎo)形變、粒子飛行時(shí)間測(cè)量等原理構(gòu)建豐富技術(shù)體系。以基于Doppler帶寬展寬血流成像技術(shù)為例，成功實(shí)現(xiàn)小鼠耳動(dòng)脈-靜脈血流可視化成像，為心血管疾病血流動(dòng)力學(xué)精細(xì)研究及腫瘤血管功能量化評(píng)估開(kāi)辟全新道路，填補(bǔ)深層組織血流精確測(cè)量技術(shù)空白，宛如為心血管與腫瘤疾病研究植入精準(zhǔn)血流監(jiān)測(cè) “智能芯片”。

PAT發(fā)展前景瞻望：技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)未來(lái)
一、系統(tǒng)集成商業(yè)化沖刺：臨床應(yīng)用的關(guān)鍵一躍
PAM聚焦高速掃描機(jī)制、高重復(fù)率寬調(diào)諧激光與優(yōu)化聚焦策略攻堅(jiān)，確保分辨率毫厘不失同時(shí)實(shí)現(xiàn)成像速度飛躍；PACT發(fā)力超聲陣列新工藝研發(fā)、全場(chǎng)照明均勻性優(yōu)化與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并行采集技術(shù)創(chuàng)新，全方位提升成像靈敏度、分辨率與幀率；PAE借時(shí)間門控技術(shù)精準(zhǔn)抑制心臟搏動(dòng)與呼吸運(yùn)動(dòng)偽影干擾、持續(xù)微縮探針尺寸，向毫米級(jí)甚至更精微尺度進(jìn)軍；融合系統(tǒng)深度挖掘多模態(tài)造影劑協(xié)同潛力，為臨床診斷呈上豐富互補(bǔ)信息盛宴。各系統(tǒng)協(xié)同奮進(jìn)，合力跨越臨床應(yīng)用門檻，驅(qū)動(dòng)PAT從實(shí)驗(yàn)室邁向臨床實(shí)踐廣闊舞臺(tái)，重塑醫(yī)療影像診斷格局。

二、數(shù)據(jù)處理智能化變革：成像質(zhì)量的核心躍升
逆重建算法優(yōu)化成為提升PAT圖像質(zhì)量核心關(guān)鍵，壓縮感知、去卷積、小波濾波等算法雖各有所長(zhǎng)，但普適性欠佳、3D重建速度遲滯，難以滿足臨床實(shí)時(shí)診斷嚴(yán)苛需求。構(gòu)建快速、定量、普適性強(qiáng)的新型算法迫在眉睫，同時(shí)強(qiáng)化數(shù)據(jù)預(yù)處理降噪壓縮、后處理智能輔助診斷功能模塊，打造智能高效數(shù)據(jù)處理生態(tài)閉環(huán)，為臨床精準(zhǔn)診斷決策注入智慧動(dòng)力，推動(dòng)PAT成像技術(shù)從 “看得清” 邁向 “看得準(zhǔn)、判得快” 智能精準(zhǔn)診斷新時(shí)代。

三、成像原理非線性探索：微觀成像的深度革命
伴隨激光強(qiáng)度攀升，光聲效應(yīng)邁入非線性新境，吸收飽和、多光子/多步吸收機(jī)制紛至沓來(lái)，光聲信號(hào)與激發(fā)脈沖注量非線性關(guān)聯(lián)特性凸顯。放松光聲顯微鏡借吸收飽和精準(zhǔn)測(cè)量發(fā)色團(tuán)皮秒級(jí)弛豫時(shí)間，為PAT微觀成像研究開(kāi)啟全新篇章，有望打破成像深度-分辨率固有權(quán)衡僵局，解鎖微觀成像更高精度、更深層次潛能，引領(lǐng)PAT微觀成像技術(shù)攀登科學(xué)新高峰。

四、代謝參數(shù)測(cè)量拓展：功能成像的多維進(jìn)階
PAT勇拓功能成像新疆域，結(jié)合血紅蛋白與血流參數(shù)精準(zhǔn)計(jì)算氧代謝率，若實(shí)現(xiàn)血糖濃度同步測(cè)量，則可完整量化有氧與無(wú)氧糖代謝全流程。此創(chuàng)新成果將為癌癥分期診斷、治療方案精準(zhǔn)評(píng)估、療效動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)構(gòu)筑全方位、多參數(shù)影像量化評(píng)估體系，驅(qū)動(dòng) PAT從單純解剖結(jié)構(gòu)成像蝶變至分子功能代謝多維精準(zhǔn)成像，為疾病診療精準(zhǔn)決策安上強(qiáng)大影像引擎，引領(lǐng)生物醫(yī)學(xué)影像技術(shù)深度融入個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療新時(shí)代。

PAT恰似一艘匯聚多學(xué)科智慧的巨輪，憑借獨(dú)特成像原理、多元成像系統(tǒng)、豐富造影模式與廣闊發(fā)展前景，正揚(yáng)帆破浪駛向生物醫(yī)學(xué)成像海洋深處。于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，為探秘生命微觀機(jī)制鑄就高分辨率、多尺度成像利器；在臨床實(shí)踐前沿，為疾病早期精準(zhǔn)診斷、個(gè)性化治療策略優(yōu)化與療效動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植入全方位影像洞察之眼。技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)賦能、成像質(zhì)量精益求精、成像原理深度挖潛、功能拓展永不止步，PAT必將深度嵌入生物醫(yī)學(xué)研究與臨床診療核心，重塑疾病診療全流程，引領(lǐng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)跨越發(fā)展新時(shí)代，為人類健康福祉書寫輝煌篇章。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來(lái)源于：Yao, J. and Wang, L.V. (2011), Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and prospects.Contrast Media Mol.Imaging,
6:332-345. https://doi.org/10.1002/cmmi.443.