自由活動狀態(tài)下微循環(huán)動態(tài)成像技術(shù)穿透10毫米深組織實(shí)現(xiàn)可視化路徑

在心血管健康評估與重癥監(jiān)護(hù)中，微循環(huán)的動態(tài)監(jiān)測至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的床旁成像技術(shù)往往難以在自然生理活動下，提供足夠的分辨率和深度來捕捉微血管的實(shí)時變化。近期，一項(xiàng)發(fā)表于《Nature Communications》的研究為我們帶來了突破性進(jìn)展。研究人員開發(fā)了一套名為MOBILE（Miniaturized Omnidirectional Broadband Photoacoustic Imaging System for Living Entities）的微型化光聲成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在生物自由活動時，以40微米的高分辨率穿透10毫米深的組織，實(shí)現(xiàn)對微循環(huán)動態(tài)的多層可視化監(jiān)測，為理解心血管功能和優(yōu)化重癥管理開辟了新路徑。

這項(xiàng)重要成果由來自暨南大學(xué)、中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所、華南師范大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)共同完成。論文的作者包括Wei Li, Xue Bai, Yizhi Liang, Peiqian He, Yachao Zhang, Qi Zhang, Zixuan Zhang, Chaoneng Wu, Changze Song, Shirong Li, Yejing Zheng, Zhixuan Hu, Xiaoxuan Zhong, Linghao Cheng, Long Jin 和 Bai-Ou Guan。該研究以“Dynamic microvascular monitoring with miniaturized omnidirectional broadband photoacoustic imaging system for living entities (MOBILE)”為題在《Nature Communications》期刊上在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01成像性能的全面驗(yàn)證 
MOBILE系統(tǒng)的核心在于其創(chuàng)新的光纖超聲傳感器。研究團(tuán)隊(duì)通過在摻鉺光纖中寫入布拉格光柵，構(gòu)建了一個超緊湊的激光諧振腔。這一設(shè)計(jì)不僅讓傳感器本身比傳統(tǒng)壓電換能器小了300倍（直徑僅62.5微米），更使其具備了全向（0°到180°）和超寬帶（0.3-80 MHz）的超聲波探測能力。這意味著傳感器能接收來自各個角度的聲波信號，并能同時捕捉從大血管到細(xì)微毛細(xì)血管的多尺度信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在1-14毫米的成像深度內(nèi)，軸向分辨率穩(wěn)定在約50微米，側(cè)向分辨率在淺表處可達(dá)33微米，甚至在14毫米深處仍能保持在100微米以內(nèi)。在4毫米深度處，系統(tǒng)的信噪比高達(dá)54 dB，即使在22毫米深處也保持了12 dB，證實(shí)了其深層成像的可靠性。

在人體成像應(yīng)用中，研究團(tuán)隊(duì)對健康志愿者的手指、手掌和手臂進(jìn)行了活體成像。利用血紅蛋白在532 nm和1064 nm雙波長的吸收特性差異，MOBILE能夠進(jìn)行功能性成像，通過計(jì)算S因子（即1064 nm與532 nm信號強(qiáng)度的比值）來相對評估組織氧合狀態(tài)。雙波長復(fù)合圖像清晰地區(qū)分了表皮、真皮乳頭層、真皮網(wǎng)狀層和皮下組織等不同層次，并揭示了不同身體部位的組織氧合差異。同時，系統(tǒng)還能通過頻率編碼和深度編碼，直觀地區(qū)分淺表微血管網(wǎng)絡(luò)（直徑小至40微米）和深層的大血管（直徑可達(dá)1.5毫米），實(shí)現(xiàn)了跨尺度血管網(wǎng)絡(luò)的全面解析。

在冷-熱刺激誘導(dǎo)的充血實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)手掌從10°C冷水過渡到33°C溫水時，MOBILE再次捕捉到復(fù)雜的深度依賴性響應(yīng)：淺層真皮乳頭層的血容量和氧飽和度下降，而深層組織卻明顯增加。結(jié)合所有血管均出現(xiàn)擴(kuò)張的現(xiàn)象，研究推測這可能是機(jī)體通過開啟動靜脈分流來調(diào)節(jié)體溫的結(jié)果，這是一種以往難以在活體深層組織中直接觀測到的生理機(jī)制。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
MOBILE系統(tǒng)最核心的創(chuàng)新在于它成功攻克了微型化與高性能難以兼得的成像難題。傳統(tǒng)的床旁微循環(huán)監(jiān)測技術(shù)，要么穿透深度不足（如光學(xué)方法），要么分辨率低、缺乏分子對比度（如傳統(tǒng)超聲）。而大型光聲成像系統(tǒng)雖性能強(qiáng)大，但體積龐大，只能用于靜態(tài)診斷。MOBILE通過其獨(dú)創(chuàng)的、基于光纖激光器的微型超聲傳感器，在保持極小體積的同時，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)大型設(shè)備才具備的全向、超寬帶、高靈敏度探測能力。這直接解決了微型探頭接收角度窄、帶寬受限的技術(shù)瓶頸，使其成像性能媲美甚至超越了笨重的臺式設(shè)備。

總結(jié)與展望
綜上所述，MOBILE系統(tǒng)是一項(xiàng)將尖端光纖光子學(xué)與生物醫(yī)學(xué)成像相結(jié)合的典范。它通過微型化、全向、寬帶的創(chuàng)新傳感器設(shè)計(jì)，打破了傳統(tǒng)光聲成像在便攜性與高性能之間的壁壘，首次實(shí)現(xiàn)了在自由活動狀態(tài)下對微循環(huán)進(jìn)行高分辨率、多參數(shù)、深度分層的動態(tài)可視化研究。該系統(tǒng)在靜脈閉塞、熱刺激以及不同強(qiáng)度運(yùn)動等實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出的卓越性能，證實(shí)了其在揭示復(fù)雜生理機(jī)制方面的獨(dú)特價值。

展望未來，MOBILE的進(jìn)一步發(fā)展將聚焦于幾個關(guān)鍵方向。通過構(gòu)建大規(guī)模傳感器陣列，可以顯著提升成像速度，解決快速運(yùn)動帶來的偽影問題。結(jié)合多光譜成像技術(shù)，未來有望實(shí)現(xiàn)對血氧飽和度等參數(shù)的絕對定量測量，并擴(kuò)展到對其他生色團(tuán)（如脂質(zhì)、黑色素）的監(jiān)測。此外，將系統(tǒng)與更小型的脈沖激光源（如VCSEL陣列）集成，將推動其向全可穿戴設(shè)備演進(jìn)。這些技術(shù)的完善將使MOBILE有潛力成為重癥監(jiān)護(hù)、術(shù)中監(jiān)測、康復(fù)跟蹤乃至家庭健康管理中的核心工具，通過持續(xù)、精準(zhǔn)的微循環(huán)監(jiān)測，變革疾病的早期診斷與治療管理模式。

DOI:10.1038/s41467-025-68190-6.