活体动物全身光声快速成像技术进展

一、传统成像模态

1.X射线计算机断层扫描（X-ray CT）

X-ray CT凭借其高空间分辨率，能清晰呈现生物体的解剖结构，但辐射问题犹如高悬的达摩克利斯之剑。小动物对辐射更为敏感，过量辐射可能引发基因突变等不良后果，这使得研究人员在使用X-ray CT时不得不小心翼翼地控制剂量，极大地限制了其应用场景。

2.磁共振成像（MRI）

MRI以出色的组织对比度和获取功能信息的能力而闻名，可其高昂的设备成本和相对较低的时间分辨率，成为了大规模动态研究的绊脚石。在研究诸如心脏快速跳动或神经信号瞬间传递等快速动态过程时，MRI往往难以捕捉到关键的瞬间变化，使我们对这些生理机制的理解停留在表面。

3.正电子发射断层扫描（PET）

PET利用放射性示踪剂量化生理过程，然而放射性暴露的风险以及示踪剂开发的重重困难，使其应用如履薄冰。示踪剂的研发需要耗费大量的时间、精力和资金，且其安全性始终是研究人员心头的隐忧。

4.光学成像

光学成像中的荧光成像在功能和分子对比方面有独特优势，但空间分辨率差和组织穿透深度有限的问题，使其在观察深层组织和微小结构时力不从心。在活体动物体内，光线的散射和吸收严重影响成像效果，让研究人员难以窥探到深层器官的奥秘。

二、光声计算机断层扫描（PACT）技术

在这样的技术困境下，光声计算机断层扫描（PACT）技术应运而生。它融合了光学和超声成像的优势，基于光声效应，将吸收的光能转化为声波进行成像。PACT不仅能实现数百微米空间分辨率的结构成像，还可通过多波长光源捕捉血红蛋白氧饱和度和代谢率等生理信息，结合造影剂更能深入分子层面。近年来，随着高性能硬件和深度学习技术的助力，PACT在小动物研究中的应用前景愈发广阔，但在大规模动态成像方面仍有很大的提升空间。

旋转扫描光声计算机断层扫描系统

一、小鼠体内成像的惊人发现

1.静态全身成像的清晰呈现

在900nm波长的步进扫描中，小鼠的身体内部结构在PACT图像中展露无遗。皮肤下约10mm深度内，心脏、肝脏、肠道等主要器官和复杂的血管系统清晰可辨，即使是肺、胃等深部器官也能被精准定位，为研究小鼠的解剖结构提供了详尽的资料。当切换到连续扫描模式时，尽管该模式仅利用了256个换能器元件（相比步进扫描的512个元件有所减少），但所生成的图像质量依然令人惊叹。与步进扫描模式的图像相比，连续扫描图像在整体上能够保持对主要器官结构的清晰呈现。虽然在小血管的可视化方面，连续扫描图像出现了一些轻微的模糊，就像照片中的一些细节稍微有些失焦，但这并不影响对主要器官的观察和分析。

为了进一步量化两种扫描模式的差异，研究人员进行了一系列严谨而细致的实验：在一项微球定位实验中，将微球放置在扫描层的中心位置，然后分别使用两种扫描模式对其进行成像，并沿着三个坐标轴对空间分辨率进行评估。实验结果表明，连续扫描模式下的空间分辨率虽然略有下降，但这种下降在可接受的范围内，并且与扫描速度并无直接关联。这一发现充分证明了连续扫描模式在保持较高成像质量的同时，显著提高了成像速度。

小鼠静态全身成像

2.动态药代动力学成像的精准追踪

研究团队开展了ICG分布监测实验：造影剂静脉注射后，通过连续扫描监测其在小鼠体内的行踪。注射后不久，浅表血管中的信号迅速增强，随后在18秒时肝脏和脾脏开始出现ICG积累迹象，90秒后更加明显，6分钟时大量积累。对不同区域PA信号的量化分析显示，血管、脊柱、肝脏和脾脏等部位的信号变化各具特点，达峰时间也有所不同，清晰地展示了 ICG在体内的代谢路径和器官摄取差异，为药物代谢研究提供了宝贵的数据。

小鼠的动态对比增强PACT成像

为了进一步验证PACT系统监测结果的可靠性，研究人员还采用了荧光成像技术进行对比研究。在对肝脏和肿瘤区域的荧光与PA信号比值进行分析后发现，两者之间无显著差异（在统计学上具有相似的均值和标准差），这充分证明了PACT系统在疾病模型中监测药代动力学的准确性和可靠性，为其在肿瘤研究和临床前药物研发中的应用奠定了坚实的基础。

体内肿瘤小鼠的对比增强PACT成像

3.动态功能氧饱和度成像的创新突破

在氧挑战测试中，利用750nm和850nm波长对选定成像层面进行采集，成功获取了多平面的图像。当氧气浓度变化时，小鼠躯干的水平在图像中直观地呈现出相应改变，从高氧到低氧再到恢复高氧，颜色的变化清晰地反映了氧饱和度的动态过程。与传统光栅扫描系统不同，新系统的3D成像能力涵盖多个器官和血管，9秒的时间分辨率能从各个成像平面获取功能信息，可精确分辨不同结构。实验数据表明，肋骨、肝脏、脊柱、脾脏和血管等在氧挑战不同阶段水平变化显著，而脾脏因其特殊的生理功能在恢复过程中表现出独特的变化规律，这一成果为氧代谢研究提供了前所未有的深度和精度。

体内小鼠的动态功能PACT

连续旋转扫描方法借助半球形换能器阵列，实现了短时间内高分辨率的全身成像，极大地提高了成像速度，相比传统技术是一次重大飞跃。上采样重建方法和光通量补偿技术确保了连续扫描的图像质量，使内部器官的观察更加清晰，为深入研究提供了有力支持。在药代动力学和氧合动力学研究方面，该系统的连续扫描模式表现卓越，能够精准捕捉造影剂动态和氧饱和度变化，为药物研发和生理机制研究提供了关键的动态信息和器官灌注特性数据，有力地推动了相关领域的发展。

综上所述，这项研究成果为小动物生物动力学研究提供了强大的工具，在临床前研究领域具有重要的应用潜力，有望为生物医学研究带来新的突破和变革，激励着科研人员不断前行，进一步挖掘其价值，为人类健康事业做出更大的贡献。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：Jinge Yang, Seongwook Choi, Jiwoong Kim, Jihye Lee, Won Jong Kim, Chulhong Kim,Multiplane Spectroscopic Whole-Body Photoacoustic Computed Tomography of Small Animals In Vivo,First published: 07 October 2024,https://doi.org/10.1002/lpor.202400672.