用于血管研究中功能成像的多光谱光声断层扫描技术

摘要

本方案描述了多光谱光声成像的获取方法 体内 人类皮肤血管系统。其中包括血红蛋白和黑色素的定量分析，这两种物质被视为功能分析中感兴趣的发色团。

摘要

微循环功能障碍已在多种疾病过程中被认识，这也推动了血管研究领域内这一主题的日益发展。近年来，活体成像系统的开发在基础与临床研究中引领了（分析技术）的进步方向，其目标是创建能够提供具有临床意义和应用价值的实时、可量化终点的新仪器。目前已有近红外光谱（NIRS）、正电子发射断层扫描（PET）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等多种技术可供使用，但成本高、图像分辨率有限以及对比度不足仍是公认的技术挑战。光声断层成像（OT）为血管功能成像提供了新的视角，它结合了先进的光学吸收特性与空间分辨能力（从微米级光学分辨率到毫米级声学分辨率），并具备一定的组织穿透深度。在本研究中，我们评估了多光谱光声断层成像（MSOT）在功能成像中的适用性。该系统采用由Nd:YAG激光器泵浦的可调谐光学参量振荡器（OPO），提供激发脉冲，并通过三维探头在680 nm至980 nm波长范围内进行检测。通过基于特定生色团响应的专用算法（由制造商软件提供）对采集的人体前臂图像进行重建。该系统可用于测量最大氧合血红蛋白（Max HbO₂）、最大脱氧血红蛋白（Max Hb）、总血红蛋白（HbT）、平均氧饱和度（mSO₂）、血管密度（µVu）、单位间平均距离（ζAd）以及毛细血管血容量（mm³）。本OT系统展现出良好的应用潜力。随着软件的持续开发，该成像系统的实用性必将进一步提升。

引言

心血管疾病长期位居全球死亡原因的前列，给任何卫生系统都带来了巨大负担^1,2。技术进步极大地推动了我们对心脏和血管基本病理生理机制的理解，提供了更精确的诊断工具，实现了疾病的早期检测和更有效的管理。成像技术不仅能够评估心脏和主要血管的功能，还能在更微观的层面量化毛细血管密度、局部灌注和容积，以及内皮功能障碍等特征。这些技术首次为血管生物学提供了具有直接临床应用价值的定量研究视角。毛细血管密度的变化、局部灌注减少或闭塞通常提示缺血状态，这也解释了成像技术日益重要的作用，使其成为心血管研究与临床实践中不可或缺的工具^3,4,5。

近年来，功能成像技术在技术创新方面持续引领发展，其中超声（US）、近红外光谱（NIRS）、正电子发射断层扫描（PET）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）是一些广为人知的代表。然而，多种因素限制了这些技术的应用，包括成本、患者安全性（以及舒适性）、图像对比度和分辨率^6,7。光声断层成像（OT）最近成为基于光学的血管研究的一个新方向。....

方案

实验方案此前已获得该校健康科学学院伦理委员会批准（EC.ECTS/P10.21）。操作过程严格遵守针对人体研究制定的良好临床实践原则¹³。从大学社区中选取了六名健康的志愿者作为便利样本，男女各三名（n = 3 每性别），平均年龄为 32.8 ± 11.9 岁。入选参与者需为血压正常、非吸烟者，且未服用任何药物或营养补充剂。同时记录了参与者的血压、心率和体重指数。所有参与者在研究开始前均被告知研究目的和持续时间，并签署了知情同意书。

注意：本研究使用 MSOTAcuity（见材料表）进行，下文简称为光声成像平台。

1. 采集前准备

注意：在以下实验描述中，屏幕命令以粗体显示。

1. 加载受试者信息：打开光声成像设备。在设备预热的同时，输入受试者信息。软件的主欢迎界面将显示在扫描概览页面。点击患者ID后输入数据（包括姓名、研究名称、个人资料以及任何相关观察记录），然后按选择完成操作。
2. 预设选择：确保设备屏幕上出现激光已就绪的提示信息。预热完成后，设备屏幕上的激光状态栏必须从

结果

光学声成像提供的数据可在后处理的导出图像（图2）和绘图数据（图3）中进行分析。本研究旨在介绍光学声功能成像的操作，并探索其在更为常见的血管研究中的应用。为此，我们比较了在静息状态下以及在主要供血动脉施加200 mmHg阻塞后所获取的图像（图2）。这些观察结果可在对感兴趣区域（ROI）进行分析和导出后进行量化。在XY平面上，可观察到黑色素信号高于YZ和XZ平面，这表明了表皮的边界。对肱动脉（上臂）进行阻塞后，在OT探头放置位置前方的血管（前臂掌侧）出现一定程度的血液淤滞。因此，我们在XY、YZ和XZ轴向上均检测到总体信号增强，表现为脱氧血红蛋白（Hb）的蓝色和氧合血红蛋白（HbO₂）的红色增强。在袖带持续维持200 mmHg压力期间，可在XY平面上追踪血液淤滞情况。YZ和XZ轴向显示，与正常灌注状态（无阻塞）相比，由于上方的阻塞导致血容量增加，该变化由品红色遮罩区域突出显示。

对同一微.......

讨论

本方案重点介绍操作这种新型光声成像仪器所需的实用步骤，从实现三维杯状探头稳定所必需的受试者与探头的适当定位，到图像采集、感兴趣区域（ROI）选择，以及图像重建与分析。

所提出的实验方法，采用 "瞬时的" 结合动态条件下获得的图像， acquisitions 展示了该仪器在获取信息方面的优势与实用性 体内 人类血管生理学。如图所示，在最大达15 mm的体积内采集的声学图像分辨率为150 µm³ 是其他断层扫描技术无法比拟的。

需要注意以下几点：（i）探头稳定对图像采集至关重要；使用灵活且稳固的探头架可明显改善图像采集效果；（ii）正确识别血管结构；可利用表皮-真皮交界处的黑色素等超声影像学参考标志，作为识别皮肤上层血管丛的标记；（iii）通过设备制造商提供的重建软件进行功能图像分析。

对感兴趣区域（ROI）数据的高级分析和图像导出需要深入理解专用软件及所开发的算法。当前的光声成像仪器能够重建15 mm的三维体积

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
袖带	PIC	107001
手术巾	Pajunk	021151-1501
70% 乙醇	Sigma Aldrich	EX0281
护目镜	Univet	559G.00.00.201
吸水纸	Amoos	5601856202331.00
多光谱光声断层扫描仪	iThera	MSOTAcuity
稳定臂	ITEM		自行设计并组装
超声耦合剂	Parker Laboratories	308
脱毛膏	Veet	kkdg08hagd