作為近年來興起的無創探測技術，光聲斷層掃描可以對生物組織的光學性質進行高時空分辨率的功能性成像。

然而，在不進行外科開胸手術的情況下，光聲斷層掃描在心血管領域的成像質量一直受到照明方式與探測技術的限制，從而無法清晰揭示整個心臟的解剖結構以及血管系統的動態。

近日，加州理工學院Lihong V. Wang團隊利用最近開發的三維光聲斷層掃描（3D-PACT）平臺對大鼠心臟進行了三維無創成像，通過改進照明與探測方式減少通過胸腔的光學衰減和聲學失真的影響，并與心電圖檢測進行同步測量，從而清晰地展示了心臟的動態解剖結構。

該技術進而可被用于揭示健康、高血壓和肥胖大鼠之間心臟的結構和功能性差異，如心腔大小、心臟壁厚和血流動力學變化。3D-PACT這一基于大鼠的無創應用將有助于動物模型的研究與診斷，并進而有望通過臨床轉化造福人類新生兒心血管成像。

該成果以“Non-invasive Photoacoustic Computed Tomography of Rat Heart Anatomy and Function”為題發表在Light: Science & Applications。浙江大學的林勵與加州理工學院的Xin Tong為本文的共同第一作者，加州大學洛杉磯分校的Tzung K. Hsiai 與加州理工學院的Lihong V. Wang為本文的共同通訊作者。

作為全球死亡率最高的疾病之一，心血管疾病在臨床與動物實驗上被廣泛研究，而心臟區域的無創探測技術在其中起到了至關重要的作用。

目前，主流的心血管無創成像技術包括超聲心動圖成像、核磁共振成像、X射線斷層掃描以及正電子發射斷層掃描等，而這些技術在空間分辨率、視場、適用范圍方面各有優劣。

近年來，光聲成像作為一種新興的無創成像技術日益受到關注。因其結合光學照明與聲學探測，故同時具備光學成像的分子吸收譜與超聲成像的穿透深度與高時空分辨率。同時，光聲成像無需磁場、電離輻射或注射造影劑，因此在安全性、便攜性與建造成本上都有著獨特的優勢。

盡管有著如上所述的優勢與特色，光聲成像在心臟領域的研究一直受限，尤其是無創三維成像的圖像質量長期以來并不理想，其主要原因有三。

首先，心臟部分被肋骨與肺包圍，而肋骨與肺在一定程度上阻礙了超聲的傳播，進而導致超聲探測質量受限。

其次，光聲成像依賴于分子的光學吸收，而心臟作為血液循環的中樞，其中的血紅蛋白與肌紅蛋白的含量極高，進而局限了激發光在組織中的穿透深度。

第三，心臟的活體成像普遍受到心跳周期的影響。心跳周期一方面提供了血流動態的豐富信息，另一方面也會使圖像模糊而影響成像質量。

近年來，加州理工學院Wang團隊搭建了一系列光聲斷層成像設備，適用于不同分辨率、不同視角、不同生物樣本的研究。其中，名為3D-PACT的半球狀光聲斷層成像系統成功展示了人類大腦、乳房以及大鼠大腦的血管分布。

近日，該團隊基于該系統，采用了心電圖同步探測技術，并進一步優化了照明與探測結構設計，從而首次清晰展示了活體大鼠心臟跳動的三維光聲圖像。基于此系列圖像的高時空分辨率，該團隊對三種大鼠（正常、肥胖以及高血壓）的多種心血管參數（如心室/心房體積、心臟壁厚、主要血管中的血流動力學變化）進行了系統分析及對比，從而展示了該系統以及光聲成像技術在心血管臨床成像領域的獨特潛力。

實驗過程與結果

圖1：3D-PACT系統結構、大鼠實驗過程、心電圖同步檢測過程示意圖。

在聲學探測方面，3D-PACT系統由4條圓弧狀的超聲探測器陣列組成，該陣列可圍繞球心進行90°的密集掃描，從而在10秒內生成半球狀的探測矩陣，其空間分辨率適用于大鼠的血管尺寸。

在光學照明方面，該系統配備了重復頻率為50 Hz的近紅外納秒脈沖激光器，以對心跳周期進行密集的時間采樣。

此外，為捕捉心跳周期的動態信息，該系統配備了心電圖采樣設備，在成像掃描區間內同步進行心電圖檢測。

最后，心電圖曲線與光聲數據將被同步，不同周期內相同相位的心臟信號將被疊加、平均、重建，從而形成動態的三維心臟圖像。

圖2：大鼠心臟搏動周期不同相位的光聲結構圖像。

重建圖像展現了心臟的周期性運動，心臟周邊主要的血管（如主動脈、肺動脈、冠狀動脈等）也清晰可見。為比較正常、肥胖以及高血壓大鼠的心臟結構差異，該團隊采用相同流程采集了多只大鼠的心臟圖像，并從其中提取出以下數據。

首先，基于中間層截面靜態圖像，正常與肥胖大鼠左右心室壁的厚度有統計顯著差異；

其次，基于三維動態圖像，正常、肥胖與高血壓大鼠心房與心室的體積變化各有特點；

最后，基于多截面動態圖像，正常、肥胖與高血壓大鼠各主要血管內光聲信號變化（間接反映了血流動態變化）的趨勢也各不相同。

上述觀察與離體剖面圖等數據吻合，進而驗證了3D-PACT捕捉心臟動態變化的能力。

圖3：正常、肥胖與高血壓大鼠心房/心室與血管信號隨心臟周期變化曲線。

在這項工作中，研究人員通過改進優化三維光聲斷層成像系統首次展現了大鼠搏動心臟的清晰三維光聲動態圖像，并分析了正常、肥胖與高血壓大鼠心臟在結構與功能上的各種差異。

該無創成像系統結合了高速、高分辨率、光學吸收譜成像等特色，希望將在人類新生兒心臟成像等臨床領域發揮更多潛力。

| 論文信息 |

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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