多光谱光声断层扫描成像原理是什么？

多光谱光声断层扫描成像：开创医学影像的新篇章

多光谱光声断层扫描成像（MSPAT）是一项革命性的成像技术，结合了光学和超声波的优势，能够提供高分辨率的图像，且具有较高的深度穿透能力。随着技术的不断发展，MSPAT在医学成像、癌症检测、脑部研究等领域展现了广泛的应用潜力。本篇文章将深入探讨多光谱光声断层扫描成像的原理、优势及其在临床诊断中的应用。

光声效应与成像原理

多光谱光声断层扫描成像的核心原理是基于光声效应。当激光光源照射到组织中时，组织中的水分和血红蛋白会吸收特定波长的光，导致局部温度升高并产生快速的热膨胀。这个过程会激发声波的产生，声波的强度和频率可以通过超声探头进行探测，从而反映出组织的内部结构和成分。

多光谱光声断层扫描成像之所以能称为“多光谱”，是因为它使用了不同波长的激光源，从而可以获得组织的不同光学特性。这种技术的优势在于，它能够获取更丰富的组织信息，识别不同的组织成分，如血管、肿瘤以及其他病变区域。

多光谱光声断层扫描成像的优势

相比传统的成像技术，如CT（计算机断层扫描）和MRI（磁共振成像），多光谱光声断层扫描成像具有独特的优势。MSPAT能够以较高的分辨率提供结构性图像，这在微小病变的早期发现上至关重要。尤其是在肿瘤检测方面，MSPAT能有效区分肿瘤组织和健康组织，有助于提高肿瘤早期筛查的准确性。

MSPAT能够在不使用放射线的情况下，获得丰富的血管信息。传统的成像技术需要注射对比剂来突出血管的显现，而MSPAT则通过不同波长的激光照射，可以无创性地提供关于血管的详细信息，且能够深入体内组织层次，帮助医生更好地评估肿瘤的血供状况或病变的演变过程。

临床应用前景

在医学领域，MSPAT已经展现出巨大的应用潜力，尤其在肿瘤检测和神经系统疾病的诊断中。通过对肿瘤组织的精确成像，医生可以更加准确地评估肿瘤的大小、位置以及血供情况，从而为方案的制定提供重要依据。MSPAT也在脑血管病变、脑部肿瘤等神经系统疾病的研究中，帮助医生获取更加直观的病变图像，辅助早期诊断和治果评估。

未来，随着技术的不断进步，MSPAT的应用范围将进一步扩展。尤其是与人工智能结合的进展，MSPAT的图像分析将更加，能够帮助医生在极短的时间内做出更加科学的诊断决策，极大地提高医率和诊断准确率。

结论

多光谱光声断层扫描成像作为一项创新的成像技术，凭借其高分辨率、无创性和多波长成像的优势，正在医学影像领域中占据越来越重要的地位。随着技术的不断发展，MSPAT将在肿瘤筛查、脑部疾病诊断等方面展现出更加广泛的应用潜力，并有望成为未来医学影像的主流技术之一。

什么是断层扫描成像

断层扫描成像（Tomography Imaging）是现代医学和科学研究中广泛应用的一项先进成像技术。它通过特殊的仪器设备，利用多角度的图像数据来创建物体或人体内部结构的详细断层图像。与传统的二维X光成像不同，断层扫描可以提供多维度、多层次的信息，使医生、研究人员能够更精确地诊断病情、观察结构变化。本文将详细探讨断层扫描成像的工作原理、应用领域及其重要性。

断层扫描成像的基本原理是通过获取不同角度的二维图像，再通过计算机技术将这些图像合成一幅高分辨率的三维图像。这一过程的核心是通过X射线、超声波、磁场等物理手段，获取物体内部结构的信息，进而生成可供分析的图像。在医学领域，断层扫描技术如CT（计算机断层扫描）和MRI（磁共振成像）已经成为诊断疾病的重要工具。通过断层扫描成像，医生可以更清晰地查看患者体内的组织、器官和骨骼的细节，进而判断疾病的类型和发展程度。

CT扫描利用X射线通过人体不同的角度进行扫描，进而通过计算机处理，将所有扫描数据转换成断层图像。CT扫描具有较高的分辨率，可以有效地显示体内的各种异常情况，如肿瘤、出血、骨折等。与传统的X光检查相比，CT扫描能够提供更为精确和详细的内部结构图像，使医生能够及时发现潜在的病变，指导方案的制定。

与CT不同，MRI扫描不依赖X射线，而是使用强大的磁场和无线电波来生成体内组织的图像。MRI成像特别适用于软组织的检测，如大脑、脊髓、关节和肌肉等。由于其无辐射的特性，MRI被广泛应用于孕妇和儿童的检查。通过高分辨率的影像，医生可以对脑部疾病、心脏病、癌症等疾病进行更精确的诊断。

除了医学领域，断层扫描成像技术也在工业和材料科学中得到了广泛应用。它被用于检测材料的内部结构、发现裂纹或缺陷，确保产品质量和安全性。例如，在航空、汽车制造等领域，断层扫描成像技术被用来检查零部件的完整性，预防潜在的故障和安全隐患。

断层扫描成像不仅仅局限于医学或工业领域，其应用还扩展到地质勘探、环境监测等多个行业。通过利用各种成像技术，科学家可以更好地研究地球内部的结构、气候变化等问题。这种跨行业的应用为断层扫描成像技术的进一步发展提供了广阔的空间。

总体来说，断层扫描成像技术的进步极大推动了医学影像学的发展，它不仅提高了疾病的诊断准确性，也为方案的制定提供了科学依据。随着技术的不断创新，断层扫描成像的分辨率和成像速度将持续提高，从而为各个行业提供更加和高效的技术支持。作为未来发展的一个重要方向，断层扫描成像将在更多领域发挥关键作用，为人类健康和社会发展做出更大贡献。

在生物成像和光诊疗学领域，通过对材料的结构调整以控制其光学性质是探索新材料，发现新应用的重要且常见方式。贵金属就是其中较为主要的一类原料，但通常的贵金属材料存在两个明显缺点：一、激发波长通常落在可见光和近红外一区（NIR-I，700 – 1000 nm），这使得成像的深度降低，同时无法与组织发生明显的作用；二、该类材料通常不具备激活功能（即始终在线，Always-on），使得难以从成像中分辨目标和其他无关组织，同时可能会存在未知副反应。

在这样的背景下，作者Chunyu Zhou等人将目标放在更高信噪比、更大成像深度的近红外二区（NIR-II，1000 – 1700 nm），开发能够对肿瘤微环境进行响应的贵金属纳米材料。该材料以金纳米粒子（Gold nanoparticles，AuNPs）为主体（见图1），在乙醇和水的混合体系中使其形成纳米链（Nanochain）。之后引入Tetraethyl orthosilicate，（TEOS），水解后包裹金纳米链，形成核鞘结构（Core-sheath nanostructure，AuNCs@SiO2）。注射至小鼠体内后，因肿瘤微环境（Tumor microenvironment，TME）中高H2O2水平触发邻近金纳米颗粒在AuNCs@SiO2的有限局部空间内融合，从而产生了具有强NIR-II吸收的串状结构。

图1：AuNCs@SiO2作用示意图

因AuNCs@SiO2具有TME激活特性，因此不容易受其他组织的影响，表现出优异的光声成像性能（图2）。

图2：正常组织与肿瘤组织的超声、光声成像对比

同时，AuNCs@SiO2在1064 nm处光热转换效率高达82.2%（图3），可导致癌细胞严重死亡，显著抑制肿瘤生长（图4、5、6）。

图3：AuNCs@SiO2与其他已报道的光热治疗试剂的转换效率对比：1) AuNCs@SiO2; 2) Au3Cu@PEG TPNCs; 3) Au-wires-on-AuNR; 4) Pt Spiral; 5) Cu2MnS2 NPs; 6) Nb2C (Mxene); 7) Cu3BiS3 NRs; 8) L-Pdots; 9) TBDOPV-DT NPs; 10) SPN-DT

图4：注射PBS和AuNCs@SiO2的荷4T1瘤小鼠光热红外热成像（1064 nm NIR-II激光，0.5 W/cm2）

图5：注射PBS和AuNCs@SiO2后，肿瘤部位温度与照射时长的变化趋势

图6：接受相应治疗后的小鼠肿瘤大小对比（I：PBS；II：AuNCs@SiO2；III：PBS+Laser；IV：AuNCs@SiO2+Laser）

总结：作者成功合成出具有TME响应的、同时具有光声成像和光热治疗功能的二氧化硅包裹自组装金纳米链。通过TME中高浓度H2O2水，使金纳米粒子表面柠檬酸氧化，进而脱离纳米粒子表面，导致金纳米粒子融合，产生强NIR-II吸收。这一新型材料或许能够为准确非侵入性诊疗打开新的大门。

美国PhotoSound 小动物3D光声/荧光成像系统 (PAFT)

美国PhotoSound小动物全身3D光声/荧光成像系统(PAFT)为小动物活体成像和表征提供了完整的解决方案。该系统集成了三种互补的三维成像模式：光声成像(PAT)、荧光成像(FMT)、生物发光成像(BLT)，可同时实现小动物的3D光声、3D荧光和3D生物发光成像,该系统可为生物组织提供高分辨率、高对比的解剖学成像效果。

可实现近红外一区和近红外二区（670-2600 nm）小鼠全身3D光声/荧光成像系统，采用OPO可调式激光器，提供670-2600 nm连续脉冲激光、完全3D光声成像(具有100 um等向分辨率的完全三维成像，非切片叠加成像)、高通量 (256个电子通道)、灵敏度高(60 nM ICG )、桌面式设计，方便使用、成像速度快 (完成一次3D扫描需30秒)。

往期回顾

● 美国PhotoSound小动物全身3D光声/荧光成像系统

● 小鼠解剖应用笔记 —— 美国PhotoSound小动物全身3D光声/荧光成像系统

● 光声成像应用 | 探寻动脉粥样硬化斑块

背景

慢性肾病，以其高发生率和强大的潜伏性，已越来越成为一种常见的疾病。如果能够及时地检测到该疾病的发生进程，将大大改善后续的医疗成效。在众多病理特征中，肾小管间质纤维化（Tubulointerstitial fibrosis）作为众多肾脏疾病发展进程中的常见中间体，是反映肾脏状态的重要指标。目前，临床方法仍然只能做到减缓病程，并不能阻止或者扭转疾病对于组织的破坏。因此，医疗和科研工作人员将注意力放在了疾病的早期阶段——如果能在该阶段确定病变，则有更大的几率阻止疾病恶化。

研究思路

在此背景下，Dingyuan等人尝试对肾小管间质纤维化进行实时检测。传统的方法使用的肾活组织切片（Kidney biopsy）容易导致大量出血，因而作者更偏向于非接触式检测。而在该领域，通常选用CT、核磁共振等方式，但这些方式辐射风险相对较大，因此作者选择了光声/荧光成像方式。而在显影剂的选择上，相对于无机材料，有机材料具有更好的生物降解能力、纯度以及聚集诱导发光效应（Aggregation-induced emission, AIE）——一种在溶液中分散时几乎不发光，但在聚集状态时发光大大增强的现象——因而被作者看中。同时，现有的大部分具有AIE的光声显影剂为疏水性材料，不利于均匀分散和体内代谢，因此作者开发了一款水溶性AIE肾小管间质纤维化检测显影剂。

显影剂设计及表征

作者首先获得的是AIE-4COOH分子——一个携带4个羧基的具有AIE效应的分子。为了增加其水溶性，作者将4个羧基全部PEG化，成为AIE-4PEG550。AIE-4PEG550在DMSO/水体系中溶解良好，并能够自组装形成纳米粒子（AIE-4PEG550 NPs，图1）。表征结果显示该粒子有以下两个优点：一、粒径约26 nm，质量约3.3 kDa，能够有效通过肾脏的滤过作用（截留质量通常为30-50 kDa）；二、光稳定性好：在660 nm波长持续照射30 min后，仅有微小强度下降，而作为对照的显影剂ICG则已完全猝灭。在645 nm处具有强吸收峰，而发射峰则在893 nm。

图1 AIE-4PEG550纳米粒子设计思路

图2 AIE-4PEG550 NPs的左）吸收、发射图谱；右）粒径检测（溶液均为水）

体外和体内实验

体外实验着眼于该有机分子的生物兼容性。在0 – 100 μg/mL该分子溶液中孵育24 h后，HK-2细胞（Human kidney -2，人肾皮质近曲小管上皮细胞）的存活率仍在95%以上（图3）。

图3 在不同浓度AIE-4PEG550 NPs环境下孵育的HK-2细胞存活率

在正常体内实验中，作者同时进行了荧光和光声成像，相互验证了该显影剂主要聚集于肾脏而非肝脏（图4），随着时间流逝，肾脏中的含量逐渐降低，膀胱中的含量逐渐增加，表明该显影剂可由肾脏代谢，并由尿液排出。测得的24 h清除效率为93.1 ± 1.7%（图5）。

图4 在注射显影剂后，肾脏的荧光（A）和光声（B）、膀胱的荧光（C）和光声（D）随时间的成像效果变化。在肾脏中，4 min达到顶峰，而在膀胱中，60 min达到顶峰。E和F分别为相应的数值变化柱状图

图5 肾脏清除效率随注射后时间变化曲线（每只小鼠200 μg剂量，n = 3）

而在肾病模型小鼠上，同样的剂量表现出截然不同的结果：直到180 min之前，肾脏中的显影剂含量一直在增加，说明肾脏代谢功能降低，本该代谢到膀胱的化合物积聚在肾脏中（图6），这一现象也在相应的荧光信号强度上有所验证（图7）。通过这种区别，能够较为直观地评估肾脏代谢功能。

图6 在注射显影剂后，肾脏的荧光（A）和光声（B、C）、膀胱的荧光（D）和光声（E、F）随时间的成像效果变化。

图7 肾病模型小鼠注射显影剂后180 min的荧光信号强度变化（红：肾脏；蓝：膀胱）

小结

作者设计并开发了一种新型荧光/光声显影剂，其优点主要有：一、体积小，可通过肾脏过滤；二、肾脏清除效率较高；三、得益于AIE效应，成像效果优异；四、良好的生物兼容性；五、优良的光稳定性。在文献中，作者将其应用于非侵入式地诊断肾小管间质纤维化情况，祝愿在不久的将来，这项技术可以用于临床，帮助医生快速诊断肾脏功能，从而帮助患者更好地恢复。

参考文献

[1] Yan, D., Li, T., Yang, Y., Niu, N., Wang, D., Ge, J., Wang, L., Zhang, R., Wang, D. and Tang, B.Z. (2022), A Water-soluble AIEgen for Noninvasive Diagnosis of Kidney Fibrosis via SWIR Fluorescence and Photoacoustic Imaging. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2206643. https://doi.org/10.1002/adma.202206643