科学家开发三维光声成像设备，可对大鼠心脏和心血管无创功能成像 “心脏一直是光声成像较难触

“心脏一直是光声成像较难触及的领域，因为心脏周边的肋骨和肺会遮挡超声信号。我们建造了新型光声成像设备以提供更大的超声探测孔径，同时也优化了激光照射以增加成像深度。
此外，我们在放置大鼠的时候，会把它的前腿拉伸开，就像扩胸运动一样，这样可以更大限度地减少肺对心脏的遮挡，有利于提高成像质量的稳定性。 ”浙江大学生物医学工程与仪器科学学院博士生导师林励表示。

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图丨林励（来源：林励）
近期，他和团队在改进此前开发的三维光声计算层析成像（three-dimensionalphotoacousticcomputedtomography ， 3D-PACT）平台的基础上，实现了大鼠心脏无创三维成像，基于对照明和探测方案的优化，能够很好地降低通过胸壁的光学衰减和声学失真的影响。
从成像效能上看， 3D-PACT平台可以在10秒钟内完成对大鼠心脏的快速扫描，并清晰地显示心脏的解剖结构、收缩舒张过程，以及心血管的分布和血流动态。
此外，该团队通过3D-PACT平台，分别对健康、高血压和肥胖大鼠进行了检测，通过光学对比度展现了其心腔尺寸、心室壁厚度和血流动力学的差异。
2023年1月3日，相关论文以《大鼠心脏解剖和功能的无创光声计算机断层扫描》（Non-invasivePhotoacousticComputedTomographyofRatHeartAnatomyandFunction）为题发表在Light:Science&Applications上[1] 。

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图丨相关论文（来源：Light:Science&Applications）
浙江大学林励研究员和加州理工学院光学成像实验室博士研究生仝鑫为论文的共同第一作者，加州大学洛杉矶分校生物工程系崔克秀（TzungK.Hsiai）教授和加州理工学院光学成像实验室汪立宏（LihongV.Wang）教授为论文的共同通讯作者。
据介绍，作为一项新兴生物医学成像技术， PACT结合了来自传统光学成像的光学对比度优势和来自传统超声成像的声学分辨率优势，前者可以增加成像信息的丰富程度，后者能够在几厘米的成像深度内仍保持较高的分辨率。
由于现有的一部分PACT系统在成像速度、深度和图像质量等方面仍有局限，给该技术的推广和应用造成了阻碍。为了解决这些问题，林励及团队开发了上述3D-PACT平台，使其拥有穿透深、速度快、成像范围可调、空间分辨率均一、图像质量高等特点[2] 。
但是，要把该3D-PACT平台成功应用于大鼠心脏无创成像，必须克服以下挑战：首先，位于心脏周围的肺和肋骨会对光声信号造成一定的干扰和阻断；其次，血红蛋白和肌红蛋白强吸光特性会减小成像深度；此外，成像周期性跳动的心脏需要采用实时成像或运动校正机制，才能提供清晰影像。
为此，该团队对3D-PACT平台进行了改进，优化了小动物操作与光照策略，并将其与心电图同步用于数据采集，进而无创、清晰地展示了活体大鼠心脏的整体解剖结构和功能特性。

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图丨通过3D-PACT获得的大鼠心脏结构图像（来源：Light:Science&Applications）
具体而言， 3D-PACT拥有一个超大的超声孔径，可以提供半全景超声探测视角，有助于减弱肋骨和肺部组织对超声信号的遮挡。
同时，波长为1064纳米的光照，在生物组织中经过相对较少的散射，达到更深的穿透深度，覆盖整个心脏。此外，在扫描过程中，通过同步3D-PACT与心电图测量，利用心跳周期引导光声信号时间门控采集。