Light | 三维无创大鼠心脏光声断层成像

作为近年来兴起的无创探测技术，光声断层扫描可以对生物组织的光学性质进行高时空分辨率的功能性成像。

然而，在不进行外科开胸手术的情况下，光声断层扫描在心血管领域的成像质量一直受到照明方式与探测技术的限制，从而无法清晰揭示整个心脏的解剖结构以及血管系统的动态。

近日，加州理工学院Lihong V. Wang团队利用最近开发的三维光声断层扫描（3D-PACT）平台对大鼠心脏进行了三维无创成像，通过改进照明与探测方式减少通过胸腔的光学衰减和声学失真的影响，并与心电图检测进行同步测量，从而清晰地展示了心脏的动态解剖结构。

该技术进而可被用于揭示健康、高血压和肥胖大鼠之间心脏的结构和功能性差异，如心腔大小、心脏壁厚和血流动力学变化。3D-PACT这一基于大鼠的无创应用将有助于动物模型的研究与诊断，并进而有望通过临床转化造福人类新生儿心血管成像。

该成果以“Non-invasive Photoacoustic Computed Tomography of Rat Heart Anatomy and Function”为题发表在Light: Science & Applications。浙江大学的林励与加州理工学院的Xin Tong为本文的共同第一作者，加州大学洛杉矶分校的Tzung K. Hsiai 与加州理工学院的Lihong V. Wang为本文的共同通讯作者。

作为全球死亡率最高的疾病之一，心血管疾病在临床与动物实验上被广泛研究，而心脏区域的无创探测技术在其中起到了至关重要的作用。

目前，主流的心血管无创成像技术包括超声心动图成像、核磁共振成像、X射线断层扫描以及正电子发射断层扫描等，而这些技术在空间分辨率、视场、适用范围方面各有优劣。

近年来，光声成像作为一种新兴的无创成像技术日益受到关注。因其结合光学照明与声学探测，故同时具备光学成像的分子吸收谱与超声成像的穿透深度与高时空分辨率。同时，光声成像无需磁场、电离辐射或注射造影剂，因此在安全性、便携性与建造成本上都有着独特的优势。

尽管有着如上所述的优势与特色，光声成像在心脏领域的研究一直受限，尤其是无创三维成像的图像质量长期以来并不理想，其主要原因有三。

首先，心脏部分被肋骨与肺包围，而肋骨与肺在一定程度上阻碍了超声的传播，进而导致超声探测质量受限。

其次，光声成像依赖于分子的光学吸收，而心脏作为血液循环的中枢，其中的血红蛋白与肌红蛋白的含量极高，进而局限了激发光在组织中的穿透深度。

第三，心脏的活体成像普遍受到心跳周期的影响。心跳周期一方面提供了血流动态的丰富信息，另一方面也会使图像模糊而影响成像质量。

近年来，加州理工学院Wang团队搭建了一系列光声断层成像设备，适用于不同分辨率、不同视角、不同生物样本的研究。其中，名为3D-PACT的半球状光声断层成像系统成功展示了人类大脑、乳房以及大鼠大脑的血管分布。

近日，该团队基于该系统，采用了心电图同步探测技术，并进一步优化了照明与探测结构设计，从而首次清晰展示了活体大鼠心脏跳动的三维光声图像。基于此系列图像的高时空分辨率，该团队对三种大鼠（正常、肥胖以及高血压）的多种心血管参数（如心室/心房体积、心脏壁厚、主要血管中的血流动力学变化）进行了系统分析及对比，从而展示了该系统以及光声成像技术在心血管临床成像领域的独特潜力。

实验过程与结果

图1：3D-PACT系统结构、大鼠实验过程、心电图同步检测过程示意图。

在声学探测方面，3D-PACT系统由4条圆弧状的超声探测器阵列组成，该阵列可围绕球心进行90°的密集扫描，从而在10秒内生成半球状的探测矩阵，其空间分辨率适用于大鼠的血管尺寸。

在光学照明方面，该系统配备了重复频率为50 Hz的近红外纳秒脉冲激光器，以对心跳周期进行密集的时间采样。

此外，为捕捉心跳周期的动态信息，该系统配备了心电图采样设备，在成像扫描区间内同步进行心电图检测。

最后，心电图曲线与光声数据将被同步，不同周期内相同相位的心脏信号将被叠加、平均、重建，从而形成动态的三维心脏图像。

图2：大鼠心脏搏动周期不同相位的光声结构图像。

重建图像展现了心脏的周期性运动，心脏周边主要的血管（如主动脉、肺动脉、冠状动脉等）也清晰可见。为比较正常、肥胖以及高血压大鼠的心脏结构差异，该团队采用相同流程采集了多只大鼠的心脏图像，并从其中提取出以下数据。

首先，基于中间层截面静态图像，正常与肥胖大鼠左右心室壁的厚度有统计显著差异；

其次，基于三维动态图像，正常、肥胖与高血压大鼠心房与心室的体积变化各有特点；

最后，基于多截面动态图像，正常、肥胖与高血压大鼠各主要血管内光声信号变化（间接反映了血流动态变化）的趋势也各不相同。

上述观察与离体剖面图等数据吻合，进而验证了3D-PACT捕捉心脏动态变化的能力。

图3：正常、肥胖与高血压大鼠心房/心室与血管信号随心脏周期变化曲线。

在这项工作中，研究人员通过改进优化三维光声断层成像系统首次展现了大鼠搏动心脏的清晰三维光声动态图像，并分析了正常、肥胖与高血压大鼠心脏在结构与功能上的各种差异。

该无创成像系统结合了高速、高分辨率、光学吸收谱成像等特色，希望将在人类新生儿心脏成像等临床领域发挥更多潜力。

| 论文信息 |

Lin, L., Tong, X., Cavallero, S. et al. Non-invasive photoacoustic computed tomography of rat heart anatomy and function. Light Sci Appl 12, 12 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01053-7

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