光声膀胱造影术

本实验的总体目标是通过使用近红外光吸收作为无毒光学浑浊示踪剂，展示体内非电离光声膀胱成像技术。首先对实验动物实施麻醉，以完成该过程。第二步是为成像做准备：去除腹部区域的毛发，将大鼠置于定制的动物固定装置上，插入导管，并在成像区域涂抹超声耦合凝胶。

在向膀胱内注射光学吸收剂之前和之后，使用光声膀胱造影系统获取腹部区域的后续图像。最终，该过程实现了利用非电离、无创的光声膀胱造影系统对大鼠膀胱进行成像，既无辐射暴露，也不会导致长期的重金属试剂蓄积。由于具有强烈的光学吸收对比度以及在生物组织中较高的超声空间分辨率，声学断层扫描已成为一种先进的生物医学成像模式。光声断层扫描的主要优势在于完全无需使用电离辐射、所注射的造影剂不会在膀胱中蓄积，且该方法快速、成本效益高。

进行此操作时，使用一台经频率倍增后可产生 532 纳米波长光的Q开关掺钕钇铝石榴石激光器。激光输出通过一个光学参量振荡器（OPO），其波长可调范围为 680 至 2,500 纳米。首先将OPO的脉冲持续时间设为每次激光脉冲5纳秒，并将重复频率设为10赫兹。

然后将光学波长设置为667纳米，以与亚甲蓝对比剂配合使用。如果使用其他对比剂，该波长可能需要进行调整。将OPO输出的光通过直角棱镜导入自制的球形锥透镜。

锥形透镜由直径为2.5厘米的BK7透镜制成，锥角为152度。接下来，将发散的环形光束通过一块由透明亚克力材料制成、厚度为2.5厘米的光学聚光镜进行重定向。聚光镜顶部和底部表面的直径分别为6.1厘米和4.8厘米。

确保光束模式呈完美的环形。如果无法正确生成环形（类似甜甜圈形状）的光束模式，来自皮肤表面的光声信号将占主导地位，从而难以实现深层组织成像。

然后准备一个小的水容器，以增强动物与激光之间的声学耦合。容器底部开口处包裹一层透明的薄聚乙烯膜，该膜在光学和声学上均透明。使用一段黑色电工胶带，将线状光束与超声焦点区域进行同轴对准。

如果这些组件未精确对齐，系统将出现信噪比低的问题。接下来，安装球面聚焦超声换能器以检测光声波。本实验采用 V 3 0 8 型 Olympus NDT 浸入式换能器。

它以五兆赫兹的频率采集数据，横向和轴向分辨率分别为 590 和 144 微米。然后将换能器连接至宽带超声脉冲发生器或接收器，以放大光声波，并将此信号连接至示波器。系统搭建完成后，通过示波器测量光声波的到达时间，获取一维时间分辨图像，称为 ALINE 图像。

然后使用 LabVIEW 机械控制线性光栅平台，以获取二维 B 扫描和三维光声图像。对于尺寸为 2.5 厘米 × 2.4 厘米 × 1.5 厘米的成像区域，每个样品的三维成像大约需要 25 分钟来获取三维图像。设置 LabVIEW 程序以控制该平台。

在X方向以0.2毫米的步长采集125个样本，在Y方向以0.4毫米的步长采集60个样本，在Z方向以50兆赫的采样率采集500个数据点。最后，建立MathWorks MATLAB软件系统，用于采集、转换和处理原始数据，生成代表体积数据的一系列横截面bcan图像。所记录的图像随后以二维最大振幅投影图像的形式显示。

为进行成像，通过腹腔注射氯胺酮和赛拉嗪混合物，对一只体重在200至250克之间的雌性Sprague Dawley大鼠进行麻醉。随后，使用脱毛乳液去除腹部区域约5厘米见方范围内的毛发。接下来，将大鼠置于定制的动物固定装置上。

然后，通过在导管表面涂抹润滑剂，准备一支22号导管用于插入，将导管远端水平插入尿道，直至导管接头处到达尿道口，并开始经导管排出尿液。最后，将大鼠置于动物固定装置上方、光声膀胱成像系统中的水容器下方。在进行活体光声成像实验时，需使用气化异氟烷对大鼠实施完全麻醉，以开始成像。

然后在动物皮肤表面与塑料膜之间涂抹超声耦合剂，以改善声学耦合效果。接下来，运行预先准备好的 MathWorks MATLAB 程序，以在注射造影剂之前获取对照三维光声图像。获得对照图像后，使用 1 mL 注射器通过导管向膀胱内注入亚甲蓝的水溶液。

注射后每 12 小时获取一次活体光声成像图像，直至 48 小时。随后，通过注射过量戊巴比妥（150 毫克/千克）处死大鼠。然后取出膀胱和肾脏，并将其放置在玻璃板上。

应使用未注射药物动物的膀胱和肾脏作为离体成像的对照。在光声膀胱造影系统的水容器下方放置玻璃板，并在切除的器官与塑料膜之间涂抹超声耦合凝胶，以改善成像过程中的声学耦合。此处显示的图像为大鼠腹部的二维 XY 扫描图，成像使用 667 纳米激光光，在注射亚甲蓝前获取。

在此，血管可被清晰观察到，因为血液吸收光并产生光声信号；但由于缺乏对比剂，膀胱不可见。在注射亚甲蓝对比剂后12小时进行成像时，膀胱在整个区域呈现出很强的信号幅度，因而清晰可见。在24小时和48小时再次测量时，对比剂已排出体外，不再可见；当通过光学参量振荡器将光学波长切换至850纳米时，亚甲蓝对比剂不再吸收能量，因而无法被检测到。

这使得膀胱在图像上基本消失，从而作为该系统的另一种阴性对照。沿图中虚线所示 Z 平面获得的深度分辨图像，可提供感兴趣区域的额外深度信息（如图所示），也可对整个图像进行该操作，以三维方式描述该区域。在本视频中，我们展示了光声成像技术用于体内膀胱无创、非电离成像的可行性。

利用我们的光声成像系统，我们已成功对左侧膀胱进行了成像，该膀胱在将来注入了光学效应示踪剂。未来，该技术还可用于监测儿科患者的泌尿系统问题，例如膀胱输尿管反流，且具有辐射剂量低的优势。该方法的便携性和低成本特性使其非常适用于此类应用。