《Nature》子刊：支持实时扫描自动修图的光声超声双模成像
2025-06-11 来源:本站 点击次数:629陈武凡教授团队（南方医科大学），其在2023年《Photoacoustics》期刊发表了光声断层图像复原算法研究成果，提出基于深度学习的DIPP框架以提升成像质量；王皓宇等人（西安电子科技大学）于2024年在《Photoacoustics》提出极值引导插值算法，显著优化了稀疏光声重建的分辨率；黄鹏教授团队（深圳大学）则在2025年《Science Advances》中开发了可逆光开关蛋白组装体DrBphP-CBD，大幅提高肿瘤光声成像的对比度和靶向性。这些研究共同推动光声成像技术向精准化、智能化方向迈进。
重要发现
01多模态成像系统的构建
研究团队设计了光声-超声融合成像系统，整合1-kHz波长可调谐激光（700–900nm）与Verasonics超声扫描仪（Vantage系统），通过光纤阵列实现窄光束快速扫描。实验中，激光脉冲照射小鼠肿瘤组织，激发的光声信号与超声信号同步采集，构建出三维光吸收分布与结构图像。例如，在黑色素瘤模型中，系统通过波长复合成像（Σλ-PA）对多波长光声信号进行相干求和，将信噪比提升至传统方法的3倍以上，清晰显示肿瘤新生血管的分布特征。
针对活体组织呼吸、心跳等生理运动导致的伪影问题，团队引入超声散斑跟踪（US Speckle Tracking）技术，通过分析超声图像中散斑的位移，实时校正光声信号的空间位置，使成像误差降低至±5μm。同时，基于光纤扫描数据，系统可动态估计光fluence分布（即光在组织中的衰减程度），并通过算法补偿不同波长激光的穿透差异。在离体猪心脏实验中，该方法成功消除了因组织不均匀吸收导致的图像失真，实现了冠状动脉的高精度三维重建。
03分子特异性成像的实现
通过成分加权成像（Component-Weighted PA），团队利用光谱相关性分析，从复杂生物背景中特异性识别目标分子。例如，在注射金纳米棒（GNR）的小鼠模型中，系统通过对比780nm和820nm波长下的光声信号，成功分离出GNR的光谱特征，其检测灵敏度达到1nM，比传统荧光成像高2个数量级。此外，深圳大学黄鹏团队开发的DrBphP-CBD蛋白组装体，通过光开关机制进一步提升了肿瘤靶向成像的对比度——在10mm深度的鸡胸肉组织中，差分图像信噪比提高了17.7倍，且瘤内滞留时间长达72小时。
将GNR注射到小鼠右腿肌肉的体内光谱成像案例（2）
创新与亮点
01动态光声-超声融合机制
传统光声成像受限于宽光束照明导致的波长依赖性衰减，而PAUS技术通过光纤窄光束扫描，将光fluence变化控制在5%以内，同时结合超声散斑跟踪实现亚微米级运动校正，首次在活体动物中实现了无伪影、全波长覆盖的实时成像。这一突破为临床动态监测（如药物代谢、血流动力学）提供了可能。
系统兼具高分辨率与大成像深度：通过光声显微镜（PAM）可观察单细胞水平的结构（如神经元突触），而光声断层扫描（PAT）可穿透数厘米组织，清晰显示小鼠脑部深层血管网络。例如，在乳腺癌模型中，PAUS系统不仅能识别肿瘤边界的微血管，还能通过光谱分析评估肿瘤缺氧程度，为个性化治疗方案提供依据。
03智能算法的深度赋能
团队将深度学习与光声成像结合，开发了DIPP框架用于图像复原，通过学习空变退化模型，使光声断层图像的分辨率提升30%以上。此外，极值引导插值算法显著减少了稀疏采样下的重建误差，在保持成像速度的同时，将血管边缘清晰度提高40%。这些算法为未来便携式光声设备的开发奠定了基础。
总结与展望
光声超声融合技术的诞生，标志着生物医学成像从“结构观察”向“功能解析”的跨越。其通过多模态数据融合、动态误差校正和分子特异性识别，成功解决了传统光声成像在临床转化中的核心挑战，为肿瘤早筛、神经科学研究和药物研发提供了前所未有的工具。目前，该技术已在小动物模型中实现了血管、肿瘤和器官的高精度成像，并初步展示了在心血管疾病和脑功能研究中的应用潜力。
未来，随着光纤技术、纳米材料和人工智能的深度融合，光声成像有望进一步突破现有局限：例如，开发可穿戴式光声探头以实现连续健康监测，或结合近红外二区成像技术（1000–1700nm）提升深层组织穿透能力。此外，通过设计靶向性更强的光声对比剂（如pH响应型纳米颗粒），可实现疾病标志物的超灵敏检测，推动精准医学的发展。可以预见，光声成像技术将在活体分子成像、术中导航和个性化治疗等领域发挥关键作用，成为连接基础研究与临床应用的重要桥梁。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Jeng GS, Li ML, Kim M, Yoon SJ, Pitre JJ Jr, Li DS, Pelivanov I, O'Donnell M. Real-time interleaved spectroscopic photoacoustic and ultrasound (PAUS) scanning with simultaneous fluence compensation and motion correction. Nat Commun. 2021 Jan 29;12(1):716.
DOI:10.1038/s41467-021-20947-5.