多光束照明技术强化光声成像技术可无创捕捉小鼠心脏全器官动态
2026-01-14 来源:本站 点击次数:155光声超声成像技术作为一种新兴的生物医学成像手段，近年来在心血管研究领域展现出重要潜力。本文所评述的论文《Toward noninvasive optoacoustic imaging of whole-heart dynamics in mice》提出了一种新型的容积光声断层成像（Volumetric Optoacoustic Tomography, VOT）系统，通过多光束照明与近红外二区（NIR-II）光谱窗口的结合，实现了对小鼠心脏全器官动态过程的无创、高时空分辨率成像。该研究不仅优化了光传输均匀性，还利用功能性纳米颗粒增强对比度，为心脏功能的精准量化提供了新的技术路径。
本研究成果由Sandeep Kumar Kalva、Cagla Ozsoy等研究人员共同完成，论文《Toward noninvasive optoacoustic imaging of whole-heart dynamics in mice》于2025年发表在光学期刊《Light: Science & Applications》。
重要发现
01多光束照明策略显著提升成像性能
传统光声成像系统在胸腔区域常面临光照不均匀的问题，导致穿透深度有限、视野范围狭窄以及量化能力不足。本研究创新性地设计了六边形分布的多光束照明方案，通过七个光纤束臂（Fiber Bundle Arms, FBA）实现对目标区域的均匀照明。系统包括球形阵列换能器、3D打印支架及七路光纤束臂。通过光线追迹模拟验证，单光束照明仅能覆盖部分视野，而七光束联合照明则可有效覆盖直径8毫米的圆形区域，相当于小鼠心脏的典型尺寸。在组织仿体实验中，多光束照明使可见微球数量从约210个提升至379个，成像深度从9.5毫米扩展至14.45毫米，显著提升了系统的探测能力。
在活体实验中，多光束照明方案成功实现了对小鼠心脏的全器官动态成像。展示的多光束照明结果清晰显示了左心室（LV）、右心室（RV）、左心房（LA）、右心房（RA）等关键结构，甚至可识别心尖部位。相较于单光束成像，多光束不仅扩大了视野，还显著提升了对比度噪声比（CNR）。在心脏各区域，CNR值均有显著提升，例如右心房从6.81提高至11.54，左心室从4.98提高至7.08。此外，多光束照明使深度达10毫米的腹主动脉（AA）可见，而单光束仅能探测7毫米以内的结构。基于4D动态数据，研究人员进一步量化了心脏功能参数，如左心室收缩末期容积（ESV）和舒张末期容积（EDV）。多光束照明所测得的ESV和EDV分别为20.6±2.1μL和48.1±3.6μL，而单光束结果分别为13.2±2.0μL和28.6±2.0μL，表明单光束会显著低估心脏容积，影响功能评估的准确性。
03纳米颗粒增强对比度并实现灌注动力学量化
为克服血液中血红蛋白对光的强吸收问题，研究团队引入聚乙二醇（PEG）包覆的硫化铜（CuS）纳米颗粒作为外源性对比剂。该纳米颗粒尺寸约为9.75±4.48纳米，表面电位为-15.6±0.98毫伏，在NIR-II窗口内具有强吸收特性。细胞毒性实验表明，在适当浓度下，纳米颗粒对CHO细胞的存活率影响较小。通过静脉注射PEG-CuS纳米颗粒，心脏各腔室的对比度显著增强，并成功量化了肺循环时间（PTT），即纳米颗粒团从右心室出现到左心室的时间延迟，平均值为1.765±0.195秒。这一参数可作为心脏疾病评估的重要生物标志物。
创新与亮点
01突破心脏光学成像的穿透深度与视野限制
本研究最显著的创新在于通过多光束照明方案解决了光声成像在活体心脏应用中的核心瓶颈。传统单光束照明由于光在生物组织中的散射和吸收，难以均匀覆盖整个心脏体积，导致深层结构信号微弱甚至缺失。论文中设计的六边形光路布局通过光线追迹仿真优化，使光能分布更加均匀，有效扩大了成像视野并提升了信噪比。这一技术突破使得小鼠心脏的全器官三维动态成像成为可能，为心脏机制研究提供了前所未有的细节信息。
论文另一重要创新是将成像波长扩展至NIR-II光谱区间（1000–1400纳米），并结合功能性纳米颗粒实现对比增强。在NIR-II窗口，生物组织中的血红蛋白吸收和光散射显著降低，从而提升了光的穿透能力。PEG-CuS纳米颗粒不仅具备强NIR-II吸收特性，还表现出良好的生物相容性和循环稳定性，使其适合用于活体心脏灌注成像。这种“光学窗口+纳米探针”的双重策略不仅提高了图像质量，还实现了对血流动力学的定量分析，如肺循环时间的精确测量。
03在光学生物医疗领域的实际价值
该技术为心血管疾病的 preclinical 研究提供了强大的工具。例如，在心肌梗死模型中，心脏收缩功能异常、心室重构等病理变化可通过高时空分辨率的VOT成像进行动态监测。此外，该系统每秒200体积的成像速度足以捕捉小鼠心脏的快速机械波及瓣膜运动，为研究心律失常、心力衰竭等疾病机制提供了新的视角。从转化医学角度看，这种无创、无需心电图门控的成像方式有望推动心脏药理学研究和治疗评估的高通量化、精准化发展。
总结与展望
本研究通过多光束照明设计、NIR-II光谱窗口利用以及纳米对比剂增强，成功建立了一种高性能的小鼠全心脏光声断层成像系统，实现了对心脏结构和动态过程的高分辨率、无创可视化。该技术不仅在成像深度、视野范围和对比度方面显著优于传统方法，还能提供心室容积、瓣膜运动及血流灌注等多类功能参数，为心血管研究提供了全面的成像支持。
展望未来，该技术仍面临一些挑战与机遇。在技术层面，如何将成像深度进一步拓展至大型动物乃至人类心脏，是临床转化的关键。这可能需要通过开发更低频、更灵敏的超声换能器阵列，结合更高能量的激光源与更先进的图像重建算法来实现。在应用层面，长效安全的纳米对比剂设计、多模态成像融合（如光声与超声协同）以及基于人工智能的动态分析模型将是重点发展方向。总之，随着光学成像技术与生物医学工程的持续深度融合，VOT有望成为心血管研究和临床诊断中不可或缺的重要工具。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Kalva SK, Özsoy C, Nozdriukhin D, Tiemann S, Tang L, Deán-Ben XL, Razansky D. Toward noninvasive optoacoustic imaging of whole-heart dynamics in mice. Light Sci Appl. 2025 Nov 27;14(1):391.
DOI:10.1038/s41377-025-01992-x.