2017-11-06光声成像的4、研究分支

图2 光声断层成像系统构架图 图3 光声显微镜系统 (a)多轴光纤；(b)聚焦透镜；(c)锥型透镜；(d)光学聚焦镜和超声探测器；(e)水箱；(f)动物固定支架；(g)采样器和参考光纤；(h)温度控制器；(i)电机电源；(j)计算机；(k)数字示波器；(l)控制电机的计算机目前光声成像的主要研究分支有光声断层成像（Photoacoustic tomography, PAT，见图2）、光声显微成像（Photoacoustic microscopy, PAM，见图3）、光声内窥成像（Intravascular photoacoustic imaging, IVPAI）。光声断层成像清晰地探测到活体小鼠脑血管分布（见图4），根据血容量、血流、血氧等参数反映了脑功能信息。光声成像技术将为脑功能研究提供新的技术手段。基于光声成像反映光吸收的特性，研究者发展了多波长光声成像技术并且应用于肿瘤成像，获得高分辨率的肿瘤新生血管的形态学信息、由血氧饱和度反映的肿瘤代谢信息。光声成像技术为肿瘤的早期诊断与治疗监控提供了强大的技术支持。多波长光声成像在检测活体深层荧光蛋白表达以及基因活性方面取得令人振奋的效果。多波长内窥光声成像针对动脉粥样硬化斑块进行检测，通过光谱解析获得了动脉粥样硬化斑块组份信息（见图5），为光声内窥成像应用于心脑血管疾病检测奠定了实验基础。随着光声显微镜的出现，光声成像发展到了一个新的阶段。光声显微镜将横向分辨率提高了一个数量级达到了45µm。利用光声显微成像技术不仅可以获得高分辨率黑色素瘤的实体和周围的微血管的形态结构图像（见图6），还可以得到活体动物的血氧饱和度信息（见图7）。亚波长光学分辨率光声显微镜的出现将光声成像技术的分辨率提高到前所未有的高度，达到了221 nm。光学分辨率的光声显微镜（OR-PAM）可以轻而易举地对黑色素瘤细胞和血红细胞进行单细胞成像。光声纳米探针的发展为光声成像增添了活力。基于外源光声纳米探针，研究者们发展了光声分子成像和光声治疗。光声分子成像实现了在磁环境中对在血液中循环的肿瘤细胞进行探测以确定肿瘤细胞是否转移，最后发展成了光声流式细胞仪。 图4 光声脑部损伤恢复过程的连续监控成像，(a)～(f)分别为小鼠损伤后第1天、3天、5天、7天、9天和11天的脑部皮层血管光声重建图像；（g）为损伤恢复后小鼠脑部解剖照片 图5 通过光谱解析方法获得的动脉粥样硬化血管内窥光声图像 图6 光声显微镜监测小鼠耳部黑色素瘤生长过程 (a)注射黑色素瘤前小鼠耳部血管的光声显微成像结果；(b)注射部位的在体光声成像，RBC表示红细胞；(c)注射黑色素瘤细胞4天后血管网络光声图像，MT表示黑色素瘤；(d)光学显微成像结果。 图7 使用第二代光学分辨率的显微镜检测老鼠耳朵中血氧含量作为新一代的无损医学成像技术，光声成像可以无标记地对单个细胞成像、可以对血管形态的高分辨成像、对不同组织的成份进行解析和对血液参数高特异性的功能检测。光声成像实现了从细胞到组织结构的多尺度示踪及功能成像。光声成像可以用于研究动物体脑功能、肿瘤细胞转移和肿瘤形态结构，生理、病理特征，血流异常、药物代谢功能、深层荧光蛋白表达、基因活性等方面的内容，为生物医学应用领域提供了重要研究及监测手段，具有良好的发展前景和广泛的生物医学应用潜力。预期光声成像技术将会引起基础生命科学以及临床医学影像领域的变革。向左转|向右转