三維全景光聲計算斷層成像（3D-PanoPACT）技術的優(yōu)勢與應用
三維全景光聲計算斷層成像（3D-PanoPACT）是一種新興的非侵入性生物醫(yī)學成像技術，它通過結合光聲成像的物理優(yōu)勢，實現了從器官到全身水平的跨區(qū)域實時動態(tài)可視化。該技術克服了傳統成像方法在視野、時空分辨率和圖像質量方面的限制，利用高密度換能器陣列和先進的信號處理算法，能夠在深部組織中捕獲高分辨率的光學吸收信號。研究表明，3D-PanoPACT能夠以25赫茲的幀率實時成像整個肝臟，提取動脈網絡；以10赫茲的幀率監(jiān)測全腦血管的功能動態(tài)，并跟蹤小分子探針在全身的代謝路徑。這一技術為生物醫(yī)學研究提供了強大的工具，尤其在心血管疾病、神經科學和全身藥代動力學研究中展現出巨大潛力。
本研究的核心貢獻者包括Xuanhao Wang、Yuqian Meng、Mingli Sun、Xiali Gao、Yuqi Wang、Shaobo Wang、Kaiyue Wang、Ruofan Wang、Danyang Ren、Yonggang Yin、Chiye Li、Ruimin Chen、Lihong V. Wang和Junhui Shi。共同發(fā)表了題為“Cross-regional real-time visualization of systemic physiology and dynamics with 3D panoramic photoacoustic computed tomography”的論文，于2025年發(fā)表在Nature Communications期刊上。
重要發(fā)現
01技術原理與系統設計
3D-PanoPACT基于光聲成像原理，利用短脈沖激光照射生物組織，產生超聲波信號，并通過高密度換能器陣列進行檢測和重建。該系統核心包括一個按斐波那契網格排列的1024元件半球形超聲換能器陣列，每個元件直徑為5毫米，中心頻率為3.16兆赫，確保了高靈敏度和均勻的空間采樣。系統還集成了雙波長激光照明（1064納米和可調670-900納米），支持25赫茲單波長和10赫茲雙波長成像模式，以適應不同應用場景。通過嚴格的幾何校準和電脈沖響應去卷積處理，3D-PanoPACT顯著提升了圖像的定量準確性和分辨率。實驗表明，該系統在30毫米直徑的視野內可實現近各向同性的空間分辨率（橫向分辨率178.6-312.3微米，軸向分辨率約250微米），為深部組織成像奠定了基礎。
在肝臟成像實驗中，3D-PanoPACT以25赫茲的幀率實現了全肝區(qū)的實時三維可視化。通過單波長（1064納米）成像，系統成功捕獲了呼吸運動和心跳信號，并從中提取了動脈網絡。研究發(fā)現，肝臟不同區(qū)域的血管在心跳周期中表現出明顯的相位延遲，這反映了脈沖波在動脈系統中的傳播動態(tài)。通過傅里葉分析和濾波處理，研究人員繪制了三維動脈圖譜和相位梯度圖，為無標記診斷肝血管疾病提供了新方法。這一應用凸顯了3D-PanoPACT在器官級血流動力學研究中的價值，尤其適用于慢性心血管疾病和肝損傷的早期檢測。
03全腦血管解剖與功能動態(tài)監(jiān)測
在全腦成像方面，3D-PanoPACT通過雙波長（800納米和1064納米）照明和時空積分（STINT）方法，實現了高保真的全腦血管解剖結構可視化。系統清晰成像了基底部重要血管結構如Willis環(huán)，并監(jiān)測了藥物（如硝普鈉）誘導的腦血流動力學變化。實驗顯示，硝普鈉給藥后，靜脈血氧飽和度（sO2）出現下降，而動脈區(qū)域保持高氧狀態(tài)，揭示了腦血流自我調節(jié)機制。此外，通過電刺激誘發(fā)神經血管耦合響應，3D-PanoPACT成功捕獲了感覺皮層區(qū)域的快速sO2變化，包括初始下降和延遲峰值，證實了其在神經活動研究中的高時空分辨率優(yōu)勢。這些成果為深部腦功能成像提供了新途徑，有望推動神經退行性疾病的研究。
04全身動態(tài)可視化與小分子探針跟蹤
在全身尺度上，3D-PanoPACT通過STINT方法實現了10赫茲幀率的全身三維動態(tài)成像，覆蓋從胸腔到生殖系統的多個器官。系統利用雙波長成像區(qū)分了不同組織的吸收特性（如690納米突出淺表血管，1064納米穿透深部組織），并直觀展示了呼吸運動引起的器官位移。進一步地，研究人員跟蹤了小分子探針A1094在全身的代謝路徑：注射后，探針首先出現在心臟和髂動脈，隨后在肝臟和腸道中富集，最后通過腎臟和膀胱排泄。通過時間序列分析，量化了各器官的峰值時間和增強幅度，揭示了A1094的肝腸循環(huán)和腎清除機制。與PET、MRI等技術相比，3D-PanoPACT無需電離輻射或造影劑，即可實現高分辨率全身動態(tài)跟蹤，在藥代動力學和腫瘤轉移研究中具有獨特優(yōu)勢。
創(chuàng)新與亮點
01突破成像難題的關鍵技術
3D-PanoPACT成功解決了傳統光聲成像在視野、時空分辨率和圖像質量方面的固有折衷。通過高密度斐波那契網格陣列設計，系統實現了單脈沖三維成像，避免了機械掃描帶來的運動偽影。STINT方法通過小角度旋轉陣列合成等效高密度檢測陣列，在犧牲少量時間分辨率的條件下，顯著擴展了成像視野和深度。例如，在腦成像中，STINT使全腦FOV直徑達到60毫米，成像深度超過20毫米，遠超傳統光學成像的1-2毫米散射極限。此外，系統通過電脈沖響應去卷積和光補償校正，提升了低頻信號重建能力，確保了sO2等功能參數的定量準確性。這些突破使3D-PanoPACT在深組織動態(tài)成像中獨樹一幟，為活體系統生理學研究提供了前所未有的工具。
該研究的核心創(chuàng)新在于3D-PanoPACT的系統集成和算法優(yōu)化。換能器元件尺寸經過仿真優(yōu)化（半徑2.5毫米），平衡了檢測靈敏度和孔徑角；幾何校準將元件位置偏差控制在±0.5毫米內，提升了重建精度。雙波長成像模式支持實時功能解混，而雙聲速重建算法減少了聲學異質性引起的偽影。STINT方法的兩種實現模式（腦成像中的旋轉積分和全身成像中的旋轉-平移合成）靈活適應不同尺度應用，兼具高保真和高效率。與現有PACT系統相比，3D-PanoPACT的“每體素每激光脈沖采集時間”指標提升了一個數量級，凸顯其高速成像優(yōu)勢。這些技術細節(jié)共同奠定了該系統在生物成像領域的領先地位。
03生物醫(yī)療應用價值體現
3D-PanoPACT的價值體現在其多場景應用潛力。在心血管領域，無標記動脈網絡映射為肝血流評估提供了新指標；在神經科學中，全腦功能動態(tài)監(jiān)測有望揭示神經血管耦合機制，助力腦疾病研究；在全身尺度，小分子探針跟蹤能力為藥代動力學和代謝組學提供了實時可視化平臺。與MRI、PET等相比，該技術兼具光學對比度和聲學穿透力，且無電離輻射風險，適用于長期動態(tài)研究。未來，通過整合內源性照明或深度學習，3D-PanoPACT可能進一步拓展至胰腺成像或頸動脈監(jiān)測等挑戰(zhàn)性場景，推動個性化醫(yī)療和精準醫(yī)學發(fā)展。
總結與展望
3D-PanoPACT作為一種革命性的成像工具，通過高時空分辨率、寬視野和實時三維能力，實現了從器官到全身的系統生理學可視化。本研究驗證了其在肝臟、大腦和全身動態(tài)成像中的卓越性能，突出了光聲成像在生物醫(yī)學研究的應用潛力。未來工作可聚焦于換能器材料升級（如寬帶材料）、激光重復率提升（以捕獲超快過程）以及空間脈沖響應校正，進一步優(yōu)化成像深度和分辨率。同時，結合光學流方法或探針技術，3D-PanoPACT有望在腫瘤代謝、神經活動監(jiān)測等領域發(fā)揮更大作用。總體而言，該技術不僅推動了成像技術本身的發(fā)展，更為生命科學提供了跨尺度研究的全新視角，有望在臨床前研究和轉化醫(yī)學中產生深遠影響。
聲明：本文僅用作學術目的。
Wang X, Meng Y, Sun M, Gao X, Wang Y, Wang S, Wang K, Wang R, Ren D, Yin Y, Li C, Chen R, Wang LV, Shi J. Cross-regional real-time visualization of systemic physiology and dynamics with 3D panoramic photoacoustic computed tomography (3D-PanoPACT). Nat Commun. 2025 Nov 18;16(1):10077.
DOI:10.1038/s41467-025-65054-x.
