关键词：光声矢量成像；血流速度；深部静脉

深部血管血流动力学的无创成像是生物医学光学成像领域的难题。纯光学成像受约一毫米光学扩散极限限制，难以深部测流。光声矢量断层成像（PAVT）利用血液空间异质性与光声对比度的协同，连续编译单帧宽场光声图像观察血液逐帧传播，并以像素级运动估计定量血流流速与方向。人体研究在约五倍光学扩散极限（超过五毫米）深度静脉中实现血流矢量映射，可用于血管疾病监测与循环功能成像。

Yang Zhang 与 Joshua Olick-Gibson 贡献相同，Anjul Khadria 参与研究，Lihong V. Wang 为通讯作者。论文《Photoacoustic vector tomography for deep haemodynamic imaging》发表在《Nature Biomedical Engineering》。

重要发现

01

原理：血液空间异质性与光声对比度的协同

纯光学血流成像技术，多普勒血流仪、多普勒光学相干断层扫描、激光散斑对比成像、共聚焦红细胞追踪等，因弹道光强衰减，成像深度被限制在光学扩散极限约一毫米以内。光声断层成像结合光吸收对比度与超声探测，可对内源性生色团，如血红蛋白进行深层高分辨成像，但深部光声成像中，血管腔内的光声信号会因大量红细胞吸收信号的随机叠加而被抑制，难以直接测流。PAVT 的突破在于利用血液的空间异质性：均匀血液中管腔信号因边界堆积效应被抑制，而非均匀分布的血液可使管腔信号显著增强。系统连续采集单帧宽场光声图像，直接呈现血液在管腔内的逐帧传播，再以像素级运动估计算法，Farneback 光流法，生成含速度与方向的矢量血流图。团队定义了由管腔、边界及背景信号构成的相对可见度指数 γ，实测人体静脉 γ 值为 0.15±0.01（n=10）。

02

系统构建、分辨率与体模验证

成像系统由256 阵元、15 MHz 中心频率的线性超声阵列探头与同轴耦合的光纤束组成，光束以与成像平面成 30 度的角度入射，血红蛋白吸收光能后经热弹性膨胀产生声波，由探头接收并经数据采集模块与通用反投影算法重建二维图像；帧率随激光重复频率设为 10、20 或 100 Hz，光通量均低于 ANSI 安全限值。以直径 50 μm 的铅点源表征分辨率，轴向与横向分辨率分别为 125 μm 与 150 μm。血流体模采用汇聚分叉结构，入口通道 C₁、C₂汇入出口通道 C₃，灌注 45% 红细胞压积的牛全血，五个预设流速的实测值与设定值高度吻合，相对误差 2.0%–4.5%，并与多普勒超声结果一致；可测流速约 0.04–100 mm/s，且测速不受血管与探头夹角影响。机制验证显示，均匀血流中管腔信号被抑制、无法测流，相对误差 97%；在入口诱导压力波动后，出口管腔内红细胞非均匀分布弥散，测流相对误差由 80% 降至 2.5%，证实血流可检测性源于血液的空间异质性。

03

体内深部血流矢量成像与功能验证

在经加州理工学院伦理委员会批准、8 名健康受试者参与的人体实验中，PAVT 实现了深部静脉矢量血流成像：手腕部血管在 1064 nm 波长、100 Hz 重复频率下，呈现出沿血管纵向变化的直径与流速；掌部血管在氧合与脱氧血红蛋白等吸收点成功测流，排除了血氧饱和度异质性作为测流机制的可能；前臂两条血管深度分别达 3.5 mm 与 5.5 mm，约五倍光学扩散极限，管腔中心信噪比分别为 14.1 与 5.8，对比噪声比分别为 7.1 与 2.5，并经超快多普勒超声在体验证。对腕管区域含静脉瓣的血管，PAVT 测得瓣内狭窄区流速更高、瓣周宽径区流速较低，瓣周呈现汇聚血流模式与窦袋区域，流速剖面与连续性方程预测一致，相对误差 3.2%。功能实验方面，血压袖带充气期间，远端掌骨区静脉血流速度下降约 70%，释放瞬间短暂增高约 350% 后恢复基线，该反应在多名受试者中重复验证。数据处理采用基于奇异值分解的时空滤波与对数压缩提取血流成分，并结合像素级噪声底线滤波抑制低速噪声，测速相对误差由 4.5% 降至 0.9%；为保证运动追踪有效，成像帧率需满足奈奎斯特采样定理，帧率大于 2v/l。

04

机制确认与当前局限

在750、805、900 nm 三种近红外波长下测得一致流速，并在等吸收点波长成功成像，进一步排除了血氧饱和度异质性作为测流机制的可能。动脉血流成像仍是当前瓶颈：动脉血混合均匀、空间异质性不足，两条动脉的可见度指数仅 0.008±0.010 与 0.002±0.004，远低于静脉的 0.15±0.01，说明限制因素为管腔信号可见度而非血流速度。

创新与亮点

PAVT 首次以光声方式在约五倍光学扩散极限的人体血管中实现血流矢量成像。此前纯光学方法受限于约一毫米深度，深部光声测流又受制于管腔信号被抑制；PAVT 通过血液空间异质性增强管腔信号，结合宽场单帧连续成像与像素级运动估计，实现角度无关、可测极慢速的血流定量，并同步提供血红蛋白分子对比与血氧饱和度，可与多普勒超声互补。该技术可应用于慢性静脉功能不全、静脉曲张等外周血管疾病的血流诊断，评估静脉瓣膜区复杂血流与血压袖带干预的功能响应，未来有望扩展至脑功能成像、乳腺癌早期检测与代谢成像。

总结与展望

PAVT 利用血液空间异质性增强管腔光声信号，突破光学扩散极限，实现深部静脉血流的矢量定量成像，并在多波长、多深度及功能干预场景中得到验证。展望未来，采用更低频率探头可将成像深度拓展至厘米级，环形与半球形阵列有望提升图像质量；该技术或可同步测量脑血流、血红蛋白浓度与血氧饱和度，推动颈动脉与颈静脉区域脑代谢成像及乳腺癌早期检测等临床应用。

论文信息

声明：本文仅用作学术目的。 

Zhang, Y., Olick-Gibson, J., Khadria, A. et al. Photoacoustic vector tomography for deep haemodynamic imaging. Nat. Biomed. Eng 8, 701–711 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41551-023-01148-5