光声成像（photoacoustic imaging, PAI）是一种融合光学对比度与超声探测深度的混合成像技术，在生命科学与医学领域可无标记地获取组织血管结构与代谢功能信息。该技术利用生物组织内源性发色团的光学吸收特性产生超声信号，兼具光学成像的高对比度与超声成像的深穿透优势。它为肿瘤、血管疾病等重大疾病的早期诊断与疗效评估提供了超越传统结构成像的新观测维度。

在乳腺癌临床筛查中，钼靶摄影是现行金标准，可发现微钙化等结构异常；磁共振成像能提供高软组织对比度的三维结构信息；常规二维及三维超声成像则凭借无辐射、实时性优势广泛用于致密型乳腺的补充筛查。这些技术分别从不同维度为乳腺病变检测提供支撑，但各自存在难以回避的应用局限。然而，钼靶对致密型乳腺灵敏度不足，磁共振成本高昂且需造影剂，超声虽灵敏度高但特异性偏低，导致大量不必要的活检，且二维超声结果高度依赖操作者经验。

光声成像利用组织内血红蛋白等内源性发色团的光学吸收特性，可在无造影剂条件下同时提供血管形态与血氧饱和度等功能信息，被视为提升乳腺病变诊断特异性的重要补充手段。与仅能评估力学特性的弹性成像或仅能检测血流的多普勒超声相比，光声成像可直接量化组织缺氧这一恶性肿瘤核心特征。但现有光声乳腺成像系统面临多重工程瓶颈：手持探头依赖操作者精准定位病灶中心，断层式环形或半球形阵列体积庞大、成本高昂且难以融入临床流程，而基于线阵探头的三维系统阵元数有限、单次扫描无法覆盖全乳腺，需多次拼接并引入配准误差。

针对上述局限，研究团队开发了三维光声与超声自动乳腺容积扫描系统（three-dimensional photoacoustic and ultrasound automated breast volume scanner, PAUS-ABVS），采用768阵元大视场线阵换能器，中心频率7.5 MHz，带宽覆盖5至14 MHz，横向视场达156 mm。系统以 20 Hz 脉冲重复频率输出 730 nm、756 nm、796 nm、820 nm、866 nm 五个近红外波长，扫描步长 0.4 mm，共 226 个位置覆盖 90 mm 范围，单次全乳腺扫描约 2 分钟。临床条件下光声血管信号探测深度约 29 mm，体模实验中穿透深度可达 35 mm。

该成果发表于《Science Advances》：A three-dimensional photoacoustic and ultrasound automated breast volume scanner (PAUS-ABVS) for breast cancer patients。

该系统的工作原理是通过光学参量振荡器将泵浦激光波长转换至近红外波段，经光纤束照射乳腺组织，组织吸收光能后产生热膨胀超声信号，由换能器接收并经延迟求和算法重建为光声图像。多光谱成像通过光谱解混分离氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度，进而计算总血红蛋白浓度与血氧饱和度；例如 756 nm 与 866 nm 附近波长对脱氧与氧合血红蛋白的吸收差异敏感，可用于血氧定量，而总血红蛋白浓度对应肿瘤新生血管程度，血氧饱和度分布偏度则反映肿瘤内部缺氧的空间异质性。受限于激光脉冲能量，光声成像仅启用中心 384 阵元以提升单位面积光通量，从而在保证成像深度的前提下完成功能参数测量。超声通道则启用全部 768 阵元，并采用 31 个偏转平面波空间复合以提升结构图像质量。

PAUS-ABVS系统的整体示意图

在系统集成层面，该方案将移动式脉冲激光器、研究型超声平台与自动机械扫描器整合为一体，构建了结构超声与多光谱光声同步采集的双模态成像体系，并基于超声图像的互相关算法校正呼吸与心跳运动伪影。临床验证纳入61 例患者共 66 个病灶，其中经组织病理学或 6 个月随访确认良性 36 个、恶性 30 个。

多参数PAUS图像处理、分析和验证

超声通道提供病灶形态、边界、回声等结构信息并生成乳腺影像报告和数据系统（breast imaging reporting and data system, BI-RADS）评分，光声通道提供血容量、平均血氧饱和度及血氧分布偏度三项功能参数。将光声多参数评分与 BI-RADS 评分加权融合后，诊断灵敏度达 96.7%、特异性达 66.7%，较单纯超声 BI-RADS 的 33.3% 特异性提升约 34 个百分点；三维容积分析不受操作者定位影响，与经验丰富操作者的二维中心帧结果一致，而操作者定位至病灶边缘时二维分析特异性降至 36.1%。

该研究在保持常规超声高灵敏度的同时显著提升了乳腺病变诊断的特异性，为减少不必要活检提供了可临床转化的技术路径。研究团队指出，更高功率激光器有望拓展成像深度，基于深度学习的自动化病灶分割与多光谱分析可缩短三维容积数据的读片时间。按乳腺癌分子亚型分层的大样本队列研究将进一步明确血氧饱和度、血管生成等功能参数的亚型特异性临床价值。这些方向共同推动三维光声超声成像融入常规乳腺筛查流程，使更多致密型乳腺人群受益于更精准的无创诊断。

良性和恶性病变患者的二维、三维光声超声（PAUS）图像及多参数分析

论文信息

声明：本文仅用作学术目的。

Sinyoung Park et al. ,A three-dimensional photoacoustic and ultrasound automated breast volume scanner (PAUS-ABVS) for breast cancer patients.Sci. Adv.11,eadz8585(2025).

DOI:10.1126/sciadv.adz8585