通用手持式三维光声成像探头用于深部组织人体血管造影及实时功能学临床前研究

以下实验的总体目标是展示一种新开发的手持式光声成像系统在三维、功能性和分子实时成像方面的成像能力。该系统通过探头实现成像，探头包含一个球形矩阵排列的压电超声换能器阵列，环绕着引导光脉冲的光纤束，当探头紧贴组织时，纳秒级的光脉冲激发产生超声响应，并由探头捕获这些信号。

接下来，利用这些数据进行实时图像重建，从而实现手持模式下的扫描。结果表明，便携式系统能够实现对血管形态以及重要的血流动力学和灌注参数进行深层组织成像。本实验室的核心研究方向是基于光声成像、漫射光学、超声及多模态方法开发新型生物医学成像工具。

新开发的手持式光声断层成像系统基本上可提供真正的五维成像能力。这意味着它能够实时提供高分辨率、光谱信息丰富的组织形态与功能的三维体积成像。结合实时功能的三维手部成像方法，消除了容量限制，为临床诊断带来了重要优势。

例如，在外周血管疾病、淋巴系统疾病、乳腺癌、皮肤病变、炎症、关节炎等疾病中。结合快速波长调谐激光技术，该系统能够实现对光吸收剂生物分布的实时成像。因此，在小动物分子成像应用中也可能产生新的可能性。

例如，研究体内组织血流动力学、细胞追踪、药代动力学可视化、器官灌注或神经成像时，首先准备硬件设备。打开可调谐近红外激光光源，预热约15分钟。为稳定其输出，激光输出将连接至手持探头。

探头由一个压电元件的矩阵阵列构成，排列成覆盖带有光纤束开口的球面的一部分。在中心位置，连接光纤束以将激光输出端的激光束引导至手持式探头。接下来，将手持探头的球面矩阵探测阵列连接到并行数据采集系统，该系统由激光器的Q开关输出触发，然后继续准备探头的声学耦合。

换能器具有一个匹配的外壳，外壳顶端覆盖有光学和声学透明的聚乙烯膜，该膜将与皮肤接触，并将换能器的有源表面与外壳封闭。有源检测表面相对于组织表面的相对位置决定了有效成像深度。在储液罐和探头之间连接一个泵。

然后用其填充换能器与膜之间约100毫升的体积。泵注完成后，断开泵的连接。检查探头，确保无气泡或泄漏。

出于安全考虑，现在请佩戴适用于近红外波长的防护护目镜。接着设置成像波长和激光脉冲重复频率。在控制软件中，波长范围为690至900纳米，需根据特定组织、内源性发色团、四类物质以及外源性施用的感兴趣造影剂选择合适的光学参数。

脉冲重复频率范围为10至50赫兹，取决于所需的体积成像帧率，同时也受激光暴露限值的限制。此外，将声学数据采集系统的输入阻抗设置为1兆欧，采样率为每秒40兆样本，垂直分辨率为12位，以确保安全操作。

使用激光功率计测量近红外光谱区域的暴露水平。将功率计置于探头的聚乙烯膜处进行测量。使激光辐射通过探头，并调节激光功率和重复频率。

因此，在对膜处的安全暴露水平进行调整后，取下功率计。探头即可用于操作。下一步是为患者准备手术程序。

为患者提供适用于近红外波长的防护眼镜。检查待成像区域。如果存在毛发，应使用脱毛剂去除，以避免图像中出现不必要的背景干扰。

用湿巾清洁该区域。待区域清洁后，在需要成像的皮肤部位涂抹超声耦合凝胶，以实现有效的声学耦合。

保持探头位置不变，并启动预览软件，该软件可启用激光输出并实现实时三维图像的可视化。光声图像的帧率与激光脉冲重复频率相对应，并以实时方式显示。当在图形处理器上执行断层重建时，可轻柔移动探头以优化成像效果并定位目标结构。

继续使用预览软件，并将设备硬件切换至患者的数据采集模式。轻柔地以每秒几毫米的速度移动探头，扫描成像区域，以追踪目标结构。数据采集完成后，停止软件运行，此时激光也会随之关闭。

左侧为一名健康志愿者的前臂。白色方框表示探头所成像的区域。右侧为探查区域的最大强度投影图像。

当探头在前臂上缓慢扫描时，所有扫描位置均实现了血管的实时可视化。图像采用800纳米的光，激光脉冲重复频率为10赫兹。通过沿健康志愿者手腕处扫描探头，实现了多光谱成像。

采用50赫兹的激光脉冲重复频率，并结合每个脉冲的波长调谐。所使用的波长范围为730纳米至850纳米，以30纳米为步长。右下角为光谱解混图像，分别以红色显示氧合血红蛋白的分布，蓝色显示去氧血红蛋白的分布，黄色显示黑色素的分布。

假设探头扫描腕部时仅有这些组分负责吸收，则可实时追踪这三种组织色团的分布情况。本视频展示了探头跟踪动态过程的能力。在数据采集过程中，通过橡胶带阻断并随后释放中指的血液循环。

剪刀的出现表示橡皮筋被移除的时刻。数据采集速率为每秒10帧，波长为900纳米。手持成像操作可在极短时间内掌握，且由于其他临床成像方式无法提供具有可比时间分辨率的三维成像，我们相信该系统将在精确诊断和治疗监测中发挥新的价值。然而，在手持模式下使用探头时，运动伪影仍可能严重影响系统性能和图像质量。

通常情况下，运动速度不应超过每秒三毫米。如果使用10赫兹的激光重复频率并结合多点数据采集，则允许更快的运动速度。若采用更高重复频率的激光器并结合新的成像方法，我们有望推动新的生物学发现。

我们还希望为医生提供一种新的临床诊断工具，适用于多种适应证，例如与淋巴系统相关的心血管和外周血管疾病、乳腺病变、关节炎和炎症。