关键词：鸡胚咽弓动脉；光片荧光显微镜；血流动力学模拟

本研究围绕三维血管定量成像与计算建模的可靠性展开，以鸡胚咽弓动脉系统为模型，系统比较了光片荧光显微镜、四维超声与纳米计算机断层扫描三种模态在血管形态重建及后续血流动力学模拟中的表现差异。研究发现，光片荧光显微镜能够准确捕捉快速变化的微血管形态并提供可靠的定量体积测量，而四维超声则系统性地高估了迂曲小血管的管径与截面积，进而导致基于图像的计算流体力学结果出现显著偏差。该研究验证了光片荧光显微镜作为临床前血管定量成像工具的可靠性，也为不同成像模态在生物力学建模中的适用范围提供了直接的对照依据。

本文作者为 Daibo Zhang 与 Stephanie E. Lindsey，文章题为 3D vascular quantitation with application to computational modeling: a pre-clinical light sheet microscopy, high resolution ultrasound, nano-computed tomography comparison study，于2026年8月发表于 Scientific Reports 期刊。

重要发现

研究选取HH26 期（发育第 5 天）鸡胚的咽弓动脉系统作为测试对象，该系统以其高度迂曲、形态快速变化的几何特征成为检验三维成像精度的理想模型。实验对同一批 5 枚鸡胚分别进行四维超声与光片荧光显微镜成像，并与团队此前发表的纳米计算机断层扫描数据集进行对照。

光片荧光显微镜（LSFM）样品制备与成像装置工作流程

在技术参数上，三种模态呈现出明显差异。四维超声采用活体成像方式，面内分辨率为7.3 至 8.7 微米，层间步距为 50 微米，轴向与横向分辨率差距显著。光片荧光显微镜针对灌注固定后的胚胎样本，采用 FITC - 多聚赖氨酸对血管内皮进行非特异性标记，结合改良的 iDISCO + 组织透明化流程，光片厚度设置为 5 微米，面内分辨率达 1.3 微米，层间最优步距为 1.9 微米。纳米计算机断层扫描的体素分辨率为 3 至 4 微米。样本制备方面，四维超声所需的样本前处理时间最短，但图像采集阶段需手动逐平面平移探头，人工投入最大；光片荧光显微镜与纳米计算机断层扫描均需 2 至 3 天的样本制备周期，但图像采集过程高度自动化。

在形态学重建的基础上，研究进一步开展了受试者特异性的三维脉动血流模拟。基于Navier-Stokes 方程的有限元求解器结合 0D 集总参数模型进行边界条件调优，统一校准为 90:10 的尾侧 - 颅侧流量分配与特定的背主动脉压力基准。模拟结果显示，不同成像模态重建的几何模型导致了显著不同的血流分配、压力分布与壁面剪切应力格局。

流量分配方面，四维超声与光片荧光显微镜虽取自同一胚胎，其几何模型在III、IVR、IVL、VIL 弓的流量分配上即出现显著差异。与光片荧光显微镜相比，纳米计算机断层扫描模型在 IVR 与 VIL 弓的流量分配更低，而在 IVL 与 VIR 弓更高，这与流出道角度差异直接相关 —— 流出道入口方向对六支弓的血流分布具有决定性影响。

解剖标志与成像方位示意图。(A) HH26 期咽弓动脉结构总览，包含其在体内的方位、弓动脉位置以及部分分隔的流出道（OFT）

压力与壁面剪切应力的绝对值方面，由于四维超声的截面积系统性偏大，其弓动脉系统的压力与壁面剪切应力值显著低于光片荧光显微镜模型。光片荧光显微镜组的峰值收缩期压力在7700 至 11900 达因每平方厘米之间，壁面剪切应力在 102 至 240 达因每平方厘米之间；四维超声组压力降至 4100 至 4600 达因每平方厘米，壁面剪切应力降至 35 至 59 达因每平方厘米。

高分辨率PAA图像堆叠 各成像模态通过所有三个解剖平面获取的PAA代表性图像

在归一化的相对分布格局上，光片荧光显微镜与纳米计算机断层扫描的压力沿弓动脉的衰减模式高度一致，各采样点均无显著统计学差异；壁面剪切应力的相对变化趋势也基本趋同。四维超声的相对压力分布则在大量采样点上与光片荧光显微镜呈现显著差异，其全程压降幅度明显偏小。

4DUS成像设置和回顾性门控

创新与亮点

本研究突破的核心难题在于：此前尚无研究系统比较过三种三维血管成像模态在复杂迂曲小血管上的定量精度，更缺乏将形态学差异直接传导至血流力学结果的量化评估。研究首次将同一批活体胚胎同时纳入四维超声与光片荧光显微镜成像，实现了模态间的配对对照，排除了胚胎个体差异的干扰。

研究提出的端到端技术路线—— 从光片样本制备、高分辨率体积成像、三维分割重建、形态学定量到多尺度血流模拟 —— 形成了完整的预临床血管定量成像与计算建模工作流。该技术在光学生物医疗领域的实际价值体现在：对于胚胎心血管发育、小动物血管疾病模型等需要高精度三维血管形态学数据的研究场景，光片荧光显微镜可在分辨率与通量之间取得平衡，作为纳米计算机断层扫描的可行替代方案；而四维超声的活体动态成像优势仍应定位于心脏功能评估与纵向相对变化监测，不宜直接用于迂曲小血管的绝对形态学重建。

总结与展望

本研究通过配对对照与队列对照相结合的设计，明确了三种成像模态在咽弓动脉定量重建中的精度边界：光片荧光显微镜在形态学与血流力学的相对格局上与纳米计算机断层扫描高度一致，四维超声则系统性地圆化并膨胀了小血管管径。未来研究需在新生动物及成年动物模型中进一步验证四维超声对更成熟血管结构的三维定量能力，同时推进光片成像在更大体积、矿化组织样本中的应用拓展，以及多模态融合成像技术的发展。

声明：本文仅用作学术目的。

Zhang, D., Lindsey, S.E. 3D vascular quantitation with application to computational modeling: a pre-clinical light sheet microscopy, high resolution ultrasound, nano-computed tomography comparison study. Sci Rep (2026).

doi:https://doi.org/10.1038/s41598-026-66866-7