光聲成像技術以其獨特的優勢，為臨床血管成像提供了全新的解決方案。在眾多醫學領域，如心血管醫學、腫瘤學、皮膚病學和風濕病學中，微血管病理的可視化對于有效評估血管異常至關重要。

《Nature Biomedical Engineering》雜志發表了關于快速全光3D光聲掃描儀的研究，該掃描儀基于全光學法布里-珀羅超聲傳感器，通過并行化傳感器讀出架構、高脈沖重復頻率激發激光和壓縮感知技術，將掃描時間從幾分鐘縮短到幾秒甚至幾百毫秒，為臨床血管成像帶來了革命性的突破。

研究背景與技術挑戰
微血管成像的臨床需求
微血管成像對于多種疾病的診斷和管理至關重要，包括糖尿病、炎癥性皮膚病、燒傷和潰瘍等。光學成像技術因其能夠可視化血管解剖結構、氧合和血流而備受關注。然而，組織對光的強烈散射限制了其穿透深度或空間分辨率。例如，傳統的光學顯微鏡、光學相干斷層掃描等依賴于未散射的彈道光子的技術，只能提供亞毫米深度的毛細血管級微血管圖像。而激光多普勒或光散斑對比成像技術雖能提供更大的穿透深度，但光學散射限制了空間分辨率，導致圖像無法揭示單個微血管的架構。

超聲成像的局限性
超聲成像能夠克服光學成像的深度/分辨率限制，但傳統非對比臨床多普勒超聲對微血管的對比度較差。新興的超快平面波超聲提供了更高的靈敏度，但它們依賴于檢測移動的血液，限制了對緩慢移動或靜止血液的靈敏度，并且無法測量血液氧合。

技術創新與應用
全光學法布里-珀羅超聲傳感器
研究團隊開發的基于全光法布里-珀羅（FP）聚合物薄膜超聲傳感器的光聲掃描儀，能夠提供高分辨率的3D微血管圖像。該傳感器具有透明性，允許激發激光通過檢測器，從而避免了傳統壓電檢測器的不透明性問題。FP傳感器的寬頻帶（50kHz至35MHz）能夠捕捉組織中產生的寬帶光聲信號，滿足了光聲成像對高檢測帶寬的需求。

基于FP的多光束PAT掃描儀

并行化傳感器讀出與高速激光激發
為了減少采集時間，研究團隊采用了并行化傳感器讀出方案和高脈沖重復頻率（PRF）激發激光。通過多光束掃描器，能夠同時掃描多達64個詢問光束，顯著提高了A線采集速率。此外，使用高PRF激光器，如高達1kHz的Yb纖維激光器，進一步加速了數據采集過程。這些技術的結合使得掃描時間從原來的幾分鐘縮短到幾秒甚至幾百毫秒，從而減少了運動偽影，實現了高保真3D圖像的可重復采集。

壓縮感知技術的應用
壓縮感知技術通過利用光聲圖像數據的冗余性，允許在不顯著降低圖像質量的情況下減少所需的采樣點數量。通過隨機子采樣掃描區域，并采用基于迭代模型的變分圖像重建方法，研究團隊成功地在更短的時間內重建了高質量的圖像。這種技術不僅減少了掃描時間，還為克服硬件限制（如高PRF激光器的平均功率限制）提供了新的思路。

成像實驗與結果分析
3D血管成像實驗
研究團隊在健康成人志愿者的手部和腕部區域進行了成像實驗，展示了該掃描儀快速、體積成像的能力。實驗中，探頭放置在感興趣的解剖區域，通過超聲凝膠提供聲學耦合，并開始掃描序列。結果顯示，該掃描儀能夠提供接近15毫米深度的微血管詳細體積圖像，包括毛細血管環、小靜脈、動靜脈以及更大的毫米級動脈和靜脈。此外，還能看到靜脈瓣、皮膚溝壑和毛囊等非血管結構。

在炎癥成像方面，該掃描儀能夠可視化由昆蟲叮咬引起的皮膚炎癥區域的微血管架構變化，并量化微血管密度隨時間的變化。此外，在乳腺癌患者的乳頭乳暈復合體區域，該掃描儀能夠檢測到由于腫瘤引起的皮膚新生血管化，表現為微血管密度的增加。在類風濕性關節炎患者的關節成像中，該掃描儀能夠檢測到滑膜區域的血管對比度增加，這可能作為疾病嚴重程度的標志。

總結與展望
快速全光3D光聲掃描儀的開發為臨床血管成像提供了一種新的工具，其在采集速度、圖像質量和功能方面均表現出色。該技術能夠快速、無創地獲取高分辨率的3D血管圖像，為多種疾病的檢測、診斷和治療監測提供了新的視角。未來，隨著技術的進一步發展，如提高幀率、增加成像深度和空間分辨率，以及與其他成像模式的融合，該技術有望在更多醫學領域得到應用，為臨床醫生提供更全面、更準確的診斷信息，從而改善患者的治療效果。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Huynh NT, Zhang E, Francies O, Kuklis F, Allen T, Zhu J, Abeyakoon O, Lucka F, Betcke M, Jaros J, Arridge S, Cox B, Plumb AA, Beard P. A fast all-optical 3D photoacoustic scanner for clinical vascular imaging. Nat Biomed Eng. 2024 Sep 30. 

DOI:10.1038/s41551-024-01247-x.