三维全景光声计算断层成像（3D-PanoPACT）技术的优势与应用
2025-12-31 来源:本站 点击次数:53三维全景光声计算断层成像（3D-PanoPACT）是一种新兴的非侵入性生物医学成像技术，它通过结合光声成像的物理优势，实现了从器官到全身水平的跨区域实时动态可视化。该技术克服了传统成像方法在视野、时空分辨率和图像质量方面的限制，利用高密度换能器阵列和先进的信号处理算法，能够在深部组织中捕获高分辨率的光学吸收信号。研究表明，3D-PanoPACT能够以25赫兹的帧率实时成像整个肝脏，提取动脉网络；以10赫兹的帧率监测全脑血管的功能动态，并跟踪小分子探针在全身的代谢路径。这一技术为生物医学研究提供了强大的工具，尤其在心血管疾病、神经科学和全身药代动力学研究中展现出巨大潜力。
本研究的核心贡献者包括Xuanhao Wang、Yuqian Meng、Mingli Sun、Xiali Gao、Yuqi Wang、Shaobo Wang、Kaiyue Wang、Ruofan Wang、Danyang Ren、Yonggang Yin、Chiye Li、Ruimin Chen、Lihong V. Wang和Junhui Shi。共同发表了题为“Cross-regional real-time visualization of systemic physiology and dynamics with 3D panoramic photoacoustic computed tomography”的论文，于2025年发表在Nature Communications期刊上。
重要发现
01技术原理与系统设计
3D-PanoPACT基于光声成像原理，利用短脉冲激光照射生物组织，产生超声波信号，并通过高密度换能器阵列进行检测和重建。该系统核心包括一个按斐波那契网格排列的1024元件半球形超声换能器阵列，每个元件直径为5毫米，中心频率为3.16兆赫，确保了高灵敏度和均匀的空间采样。系统还集成了双波长激光照明（1064纳米和可调670-900纳米），支持25赫兹单波长和10赫兹双波长成像模式，以适应不同应用场景。通过严格的几何校准和电脉冲响应去卷积处理，3D-PanoPACT显著提升了图像的定量准确性和分辨率。实验表明，该系统在30毫米直径的视野内可实现近各向同性的空间分辨率（横向分辨率178.6-312.3微米，轴向分辨率约250微米），为深部组织成像奠定了基础。
在肝脏成像实验中，3D-PanoPACT以25赫兹的帧率实现了全肝区的实时三维可视化。通过单波长（1064纳米）成像，系统成功捕获了呼吸运动和心跳信号，并从中提取了动脉网络。研究发现，肝脏不同区域的血管在心跳周期中表现出明显的相位延迟，这反映了脉冲波在动脉系统中的传播动态。通过傅里叶分析和滤波处理，研究人员绘制了三维动脉图谱和相位梯度图，为无标记诊断肝血管疾病提供了新方法。这一应用凸显了3D-PanoPACT在器官级血流动力学研究中的价值，尤其适用于慢性心血管疾病和肝损伤的早期检测。
03全脑血管解剖与功能动态监测
在全脑成像方面，3D-PanoPACT通过双波长（800纳米和1064纳米）照明和时空积分（STINT）方法，实现了高保真的全脑血管解剖结构可视化。系统清晰成像了基底部重要血管结构如Willis环，并监测了药物（如硝普钠）诱导的脑血流动力学变化。实验显示，硝普钠给药后，静脉血氧饱和度（sO2）出现下降，而动脉区域保持高氧状态，揭示了脑血流自我调节机制。此外，通过电刺激诱发神经血管耦合响应，3D-PanoPACT成功捕获了感觉皮层区域的快速sO2变化，包括初始下降和延迟峰值，证实了其在神经活动研究中的高时空分辨率优势。这些成果为深部脑功能成像提供了新途径，有望推动神经退行性疾病的研究。
04全身动态可视化与小分子探针跟踪
在全身尺度上，3D-PanoPACT通过STINT方法实现了10赫兹帧率的全身三维动态成像，覆盖从胸腔到生殖系统的多个器官。系统利用双波长成像区分了不同组织的吸收特性（如690纳米突出浅表血管，1064纳米穿透深部组织），并直观展示了呼吸运动引起的器官位移。进一步地，研究人员跟踪了小分子探针A1094在全身的代谢路径：注射后，探针首先出现在心脏和髂动脉，随后在肝脏和肠道中富集，最后通过肾脏和膀胱排泄。通过时间序列分析，量化了各器官的峰值时间和增强幅度，揭示了A1094的肝肠循环和肾清除机制。与PET、MRI等技术相比，3D-PanoPACT无需电离辐射或造影剂，即可实现高分辨率全身动态跟踪，在药代动力学和肿瘤转移研究中具有独特优势。
创新与亮点
01突破成像难题的关键技术
3D-PanoPACT成功解决了传统光声成像在视野、时空分辨率和图像质量方面的固有折衷。通过高密度斐波那契网格阵列设计，系统实现了单脉冲三维成像，避免了机械扫描带来的运动伪影。STINT方法通过小角度旋转阵列合成等效高密度检测阵列，在牺牲少量时间分辨率的条件下，显著扩展了成像视野和深度。例如，在脑成像中，STINT使全脑FOV直径达到60毫米，成像深度超过20毫米，远超传统光学成像的1-2毫米散射极限。此外，系统通过电脉冲响应去卷积和光补偿校正，提升了低频信号重建能力，确保了sO2等功能参数的定量准确性。这些突破使3D-PanoPACT在深组织动态成像中独树一帜，为活体系统生理学研究提供了前所未有的工具。
该研究的核心创新在于3D-PanoPACT的系统集成和算法优化。换能器元件尺寸经过仿真优化（半径2.5毫米），平衡了检测灵敏度和孔径角；几何校准将元件位置偏差控制在±0.5毫米内，提升了重建精度。双波长成像模式支持实时功能解混，而双声速重建算法减少了声学异质性引起的伪影。STINT方法的两种实现模式（脑成像中的旋转积分和全身成像中的旋转-平移合成）灵活适应不同尺度应用，兼具高保真和高效率。与现有PACT系统相比，3D-PanoPACT的“每体素每激光脉冲采集时间”指标提升了一个数量级，凸显其高速成像优势。这些技术细节共同奠定了该系统在生物成像领域的领先地位。
03生物医疗应用价值体现
3D-PanoPACT的价值体现在其多场景应用潜力。在心血管领域，无标记动脉网络映射为肝血流评估提供了新指标；在神经科学中，全脑功能动态监测有望揭示神经血管耦合机制，助力脑疾病研究；在全身尺度，小分子探针跟踪能力为药代动力学和代谢组学提供了实时可视化平台。与MRI、PET等相比，该技术兼具光学对比度和声学穿透力，且无电离辐射风险，适用于长期动态研究。未来，通过整合内源性照明或深度学习，3D-PanoPACT可能进一步拓展至胰腺成像或颈动脉监测等挑战性场景，推动个性化医疗和精准医学发展。
总结与展望
3D-PanoPACT作为一种革命性的成像工具，通过高时空分辨率、宽视野和实时三维能力，实现了从器官到全身的系统生理学可视化。本研究验证了其在肝脏、大脑和全身动态成像中的卓越性能，突出了光声成像在生物医学研究的应用潜力。未来工作可聚焦于换能器材料升级（如宽带材料）、激光重复率提升（以捕获超快过程）以及空间脉冲响应校正，进一步优化成像深度和分辨率。同时，结合光学流方法或探针技术，3D-PanoPACT有望在肿瘤代谢、神经活动监测等领域发挥更大作用。总体而言，该技术不仅推动了成像技术本身的发展，更为生命科学提供了跨尺度研究的全新视角，有望在临床前研究和转化医学中产生深远影响。
声明：本文仅用作学术目的。
Wang X, Meng Y, Sun M, Gao X, Wang Y, Wang S, Wang K, Wang R, Ren D, Yin Y, Li C, Chen R, Wang LV, Shi J. Cross-regional real-time visualization of systemic physiology and dynamics with 3D panoramic photoacoustic computed tomography (3D-PanoPACT). Nat Commun. 2025 Nov 18;16(1):10077.
DOI:10.1038/s41467-025-65054-x.