“心脏一直是光声成像较难触及的领域，因为心脏周边的肋骨和肺会遮挡超声信号。我们建造了新型光声成像设备以提供更大的超声探测孔径，同时也优化了激光照射以增加成像深度。
此外，我们在放置大鼠的时候，会把它的前腿拉伸开，就像扩胸运动一样，这样可以更大限度地减少肺对心脏的遮挡，有利于提高成像质量的稳定性。”浙江大学生物医学工程与仪器科学学院博士生导师林励表示。
图丨林励（来源：林励）
近期，他和团队在改进此前开发的三维光声计算层析成像（three-dimensional photoacoustic computed tomography，3D-PACT）平台的基础上，实现了大鼠心脏无创三维成像，基于对照明和探测方案的优化，能够很好地降低通过胸壁的光学衰减和声学失真的影响。
从成像效能上看，3D-PACT 平台可以在 10 秒钟内完成对大鼠心脏的快速扫描，并清晰地显示心脏的解剖结构、收缩舒张过程，以及心血管的分布和血流动态。
此外，该团队通过 3D-PACT 平台，分别对健康、高血压和肥胖大鼠进行了检测，通过光学对比度展现了其心腔尺寸、心室壁厚度和血流动力学的差异。
2023 年 1 月 3 日，相关论文以《大鼠心脏解剖和功能的无创光声计算机断层扫描》（Non-invasive Photoacoustic Computed Tomography of Rat Heart Anatomy and Function）为题发表在 Light: Science & Applications 上[1]。
图丨相关论文（来源：Light: Science & Applications）
浙江大学林励研究员和加州理工学院光学成像实验室博士研究生仝鑫为论文的共同第一作者，加州大学洛杉矶分校生物工程系崔克秀（Tzung K. Hsiai）教授和加州理工学院光学成像实验室汪立宏（Lihong V. Wang ）教授为论文的共同通讯作者。
据介绍，作为一项新兴生物医学成像技术，PACT 结合了来自传统光学成像的光学对比度优势和来自传统超声成像的声学分辨率优势，前者可以增加成像信息的丰富程度，后者能够在几厘米的成像深度内仍保持较高的分辨率。
由于现有的一部分 PACT 系统在成像速度、深度和图像质量等方面仍有局限，给该技术的推广和应用造成了阻碍。为了解决这些问题，林励及团队开发了上述 3D-PACT 平台，使其拥有穿透深、速度快、成像范围可调、空间分辨率均一、图像质量高等特点[2]。
但是，要把该 3D-PACT 平台成功应用于大鼠心脏无创成像，必须克服以下挑战：首先，位于心脏周围的肺和肋骨会对光声信号造成一定的干扰和阻断；其次，血红蛋白和肌红蛋白强吸光特性会减小成像深度；此外，成像周期性跳动的心脏需要采用实时成像或运动校正机制，才能提供清晰影像。
为此，该团队对 3D-PACT 平台进行了改进，优化了小动物操作与光照策略，并将其与心电图同步用于数据采集，进而无创、清晰地展示了活体大鼠心脏的整体解剖结构和功能特性。
图丨通过 3D-PACT 获得的大鼠心脏结构图像（来源：Light: Science & Applications）
具体而言，3D-PACT 拥有一个超大的超声孔径，可以提供半全景超声探测视角，有助于减弱肋骨和肺部组织对超声信号的遮挡。
同时，波长为 1064 纳米的光照，在生物组织中经过相对较少的散射，达到更深的穿透深度，覆盖整个心脏。此外，在扫描过程中，通过同步 3D-PACT 与心电图测量，利用心跳周期引导光声信号时间门控采集。
“由于光声成像在人体乳腺成像中优势较为突出，所以我研发这个设备最早的用意主要是针对乳腺癌成像的，它能在 10 秒内完成全乳腺扫描并提供 4 厘米的成像深度。
但因为疫情的影响，我们便将其拓展到临床前研究。起初是用该设备做小动物脑成像，获得了令人兴奋的结果，我就在想为什么不试试心脏成像呢？于是在经过一系列摸索与改进后实现了现在的结果。”林励说。
图丨健康、高血压和肥胖大鼠心血管血流动力学比较（来源：Light: Science & Applications）
在应用层面，该团队研发的 3D-PACT 拥有非常广泛的应用场景，可以用于大多体表病灶，包括乳腺癌、甲状腺癌、皮肤癌等，同时也具备成像婴幼儿心脏和心血管的潜力。
“光声层析成像的深度在乳腺中可以达到 4 至 5 个厘米，在大脑皮层中可以达到 1 厘米左右，在皮肤中也可以达到 1 至 2 个厘米，而且它的成像尺度也可以按需调整。”林励介绍道。
值得一提的是，光声成像不仅在扫描速度等方面与现有技术形成了优势互补，其提供的光学成像信息也是传统医学影像技术所不易获得的。该团队希望在未来开发更先进光声成像技术和方法，为解决医学问题和临床需求提供帮助。
参考资料：
1. Lin, L.， Tong, X.， Cavallero, S. et al. Non-invasive photoacoustic computed tomography of rat heart anatomy and function. Light: Science & Applications 12, 12 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-022-01053-7
2. Lin, L.， Hu, P.， Tong, X. et al. High-speed three-dimensional photoacoustic computed tomography for preclinical research and clinical translation. Nature Communication 12, 882 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21232-1
