光声矢量层析成像（PAVT）为深部血流动力学研究开辟新途径
2025-08-05 来源:本站 点击次数:28光声矢量层析成像（Photoacoustic Vector Tomography, PAVT）是由加州理工学院Yang Zhang、Joshua Olick-Gibson、Anjul Khadria及Lihong V. Wang团队开发的一项革命性生物医学成像技术。该研究突破传统光学成像的深度限制，首次实现对深层血管（>5 mm）血流速度与方向的无创矢量测绘，相关成果以《Photoacoustic vector tomography for deep haemodynamic imaging》为题，发表在《Nature Biomedical Engineering》。
重要发现
01技术原理：光声效应与血液异质性的协同作用
PAVT的核心突破在于利用血液红细胞（RBCs）的空间非均匀分布增强血管腔内信号。传统光声成像（PAT）因血管腔内均匀吸收导致的“边界累积效应”无法探测深层血流。
研究团队通过仿真与实验证明：当血液存在局部高/低密度区域时，腔内光声信号强度显著提升（相对可见性指数γ从0升至>0.1）。这一现象使腔内血流动态可视化成为可能。
02实验验证：从仿体到人体团队设计分叉流仿体验证技术准确性：两入口通道（C1, C2）汇入出口通道（C3）。通过压力扰动诱导血液异质性后，腔内信号可见性指数γ从0.003升至0.128，血流速度测量误差从97%降至2.5%。
在人体实验中，PAVT成功测绘手腕静脉、掌区血管及前臂深静脉（深度3.5–5.5 mm），流速范围覆盖0.04–100 mm/s，远超多普勒超声低速检测极限（0.04 mm/s误差仅4.3%）。
03血流动力学精细表征PAVT首次实现静脉瓣膜区流场成像。在腕管静脉中，瓣膜狭窄区域流速显著高于上下游，并捕捉到瓣膜窦袋内的血流汇聚模式。
此外，通过血压袖带阻塞实验，团队量化了血流功能性响应：袖带加压时流速下降70%，释放后瞬态增速达350%，证实PAVT在监测血管疾病动态变化的潜力。
创新与亮点
01突破光学扩散极限的深层成像
PAVT解决了生物医学光学领域的核心难题——超越光学扩散极限（>1 mm）的深部血流矢量测绘。传统光学技术（如OR-PAM）受限于光聚焦能力，而声分辨率PAT（AR-PAM/PACT）因分辨率不足无法追踪单个红细胞。PAVT通过宽场单激发序列与异质性增强信号的结合，将探测深度提升至光学极限的5倍（>5 mm），首次实现人体深层静脉血流方向与速度同步量化。
技术具备三大临床优势：
波长普适性：在805 nm（氧合/脱氧血红蛋白等吸收点）、750 nm、900 nm波长下均可测量血流，兼容光谱成像以同步绘制血氧饱和度（sO₂）与血流图；
角度无关性：流速测量不受血管角度影响，克服多普勒超声的视角局限；
实时功能性监测：支持20–100 Hz帧率切换，通过调整脉冲重复频率（PRF）平衡深度与信噪比（如20 Hz PRF适用5.5 mm深血管）。
03血流机制新认知研究推翻“光声血流检测依赖血氧饱和度异质性”的假说：在805 nm等吸收点仍能测量流场，证实红细胞空间分布非均匀性是信号可检性的核心。这一发现为深部血流成像机制提供了新理论支撑。
总结与展望
PAVT标志着深层血流动力学成像的技术跃迁。其融合光声分子对比度与超声深穿透的优势，不仅为慢性静脉功能不全、静脉曲张等外周血管疾病提供全新诊断工具，更在脑功能成像、乳腺癌早期检测（通过代谢耗氧率MRO₂量化）及肿瘤血管生成监测领域展现潜力。
未来需突破动脉血流检测瓶颈（当前仅限静脉），并探索低频探头以实现厘米级深部成像（如颈动脉/颈静脉同步监测）。随着环形阵列等先进声学设计引入，PAVT有望成为血管疾病诊断与循环系统功能绘制的通用平台，推动精准医疗从解剖走向功能与代谢的多维时代。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Zhang Y, Olick-Gibson J, Khadria A, Wang LV. Photoacoustic vector tomography for deep haemodynamic imaging. Nat Biomed Eng. 2024 Jun;8(6):701-711.
DOI:10.1038/s41551-023-01148-5.