光声成像技术以其独特的优势，为临床血管成像提供了全新的解决方案。在众多医学领域，如心血管医学、肿瘤学、皮肤病学和风湿病学中，微血管病理的可视化对于有效评估血管异常至关重要。

《Nature Biomedical Engineering》杂志发表了关于快速全光3D光声扫描仪的研究，该扫描仪基于全光学法布里-珀罗超声传感器，通过并行化传感器读出架构、高脉冲重复频率激发激光和压缩感知技术，将扫描时间从几分钟缩短到几秒甚至几百毫秒，为临床血管成像带来了革命性的突破。

研究背景与技术挑战
微血管成像的临床需求
微血管成像对于多种疾病的诊断和管理至关重要，包括糖尿病、炎症性皮肤病、烧伤和溃疡等。光学成像技术因其能够可视化血管解剖结构、氧合和血流而备受关注。然而，组织对光的强烈散射限制了其穿透深度或空间分辨率。例如，传统的光学显微镜、光学相干断层扫描等依赖于未散射的弹道光子的技术，只能提供亚毫米深度的毛细血管级微血管图像。而激光多普勒或光散斑对比成像技术虽能提供更大的穿透深度，但光学散射限制了空间分辨率，导致图像无法揭示单个微血管的架构。

超声成像的局限性
超声成像能够克服光学成像的深度/分辨率限制，但传统非对比临床多普勒超声对微血管的对比度较差。新兴的超快平面波超声提供了更高的灵敏度，但它们依赖于检测移动的血液，限制了对缓慢移动或静止血液的灵敏度，并且无法测量血液氧合。

技术创新与应用
全光学法布里-珀罗超声传感器
研究团队开发的基于全光法布里-珀罗（FP）聚合物薄膜超声传感器的光声扫描仪，能够提供高分辨率的3D微血管图像。该传感器具有透明性，允许激发激光通过检测器，从而避免了传统压电检测器的不透明性问题。FP传感器的宽频带（50kHz至35MHz）能够捕捉组织中产生的宽带光声信号，满足了光声成像对高检测带宽的需求。

基于FP的多光束PAT扫描仪

并行化传感器读出与高速激光激发
为了减少采集时间，研究团队采用了并行化传感器读出方案和高脉冲重复频率（PRF）激发激光。通过多光束扫描器，能够同时扫描多达64个询问光束，显著提高了A线采集速率。此外，使用高PRF激光器，如高达1kHz的Yb纤维激光器，进一步加速了数据采集过程。这些技术的结合使得扫描时间从原来的几分钟缩短到几秒甚至几百毫秒，从而减少了运动伪影，实现了高保真3D图像的可重复采集。

压缩感知技术的应用
压缩感知技术通过利用光声图像数据的冗余性，允许在不显著降低图像质量的情况下减少所需的采样点数量。通过随机子采样扫描区域，并采用基于迭代模型的变分图像重建方法，研究团队成功地在更短的时间内重建了高质量的图像。这种技术不仅减少了扫描时间，还为克服硬件限制（如高PRF激光器的平均功率限制）提供了新的思路。

成像实验与结果分析
3D血管成像实验
研究团队在健康成人志愿者的手部和腕部区域进行了成像实验，展示了该扫描仪快速、体积成像的能力。实验中，探头放置在感兴趣的解剖区域，通过超声凝胶提供声学耦合，并开始扫描序列。结果显示，该扫描仪能够提供接近15毫米深度的微血管详细体积图像，包括毛细血管环、小静脉、动静脉以及更大的毫米级动脉和静脉。此外，还能看到静脉瓣、皮肤沟壑和毛囊等非血管结构。

在炎症成像方面，该扫描仪能够可视化由昆虫叮咬引起的皮肤炎症区域的微血管架构变化，并量化微血管密度随时间的变化。此外，在乳腺癌患者的乳头乳晕复合体区域，该扫描仪能够检测到由于肿瘤引起的皮肤新生血管化，表现为微血管密度的增加。在类风湿性关节炎患者的关节成像中，该扫描仪能够检测到滑膜区域的血管对比度增加，这可能作为疾病严重程度的标志。

总结与展望
快速全光3D光声扫描仪的开发为临床血管成像提供了一种新的工具，其在采集速度、图像质量和功能方面均表现出色。该技术能够快速、无创地获取高分辨率的3D血管图像，为多种疾病的检测、诊断和治疗监测提供了新的视角。未来，随着技术的进一步发展，如提高帧率、增加成像深度和空间分辨率，以及与其他成像模式的融合，该技术有望在更多医学领域得到应用，为临床医生提供更全面、更准确的诊断信息，从而改善患者的治疗效果。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
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.