深度综述 | 光声成像Photoacoustic Imaging最新进展：当前状况和未来前景
| 光声成像（PAI）是一种将光学成像的高对比度与超声成像的高空间分辨率相结合的新兴混合成像技术。它利用组织的独特光谱特性，通过短脉冲激光在热膨胀下生成光声信号，实现高空间分辨率和显著的成像深度。PAI在生物医学和临床前研究中具有广泛的应用潜力，特别是在皮肤、关节、乳腺肿瘤、血管疾病和宫颈癌的诊断中。本文综述了PAI的基本原理、成像设备、成像算法以及对比剂的使用，并详细介绍了其在多种疾病中的应用案例。此外，本文还探讨了光声成像技术在提高成像深度、分辨率和对比度方面的最新进展，指出了未来研究方向，如开发更紧凑高效的成像设备、优化成像算法以及探索更多生物医学应用。PAI作为一种非侵入性、高分辨率的成像技术，展示了其在未来医疗中的巨大潜力和广阔前景。 |
创新应用 | 双波长光声成像PAT：532 nm 和 355 nm 波长的优化牙科成像的光声断层扫描研究
开源平台 | PAUS – 一种用于医工光声研究的实时混合光声超声成像系统平台
IVUS新方向 | 使用微型光声换能器的超宽带高分辨率新型光学血管内超声AO-IVUS
光声成像（PAI）是一种新兴的混合成像技术，结合了光学成像的高对比度和超声成像的高空间分辨率。PAI利用组织的独特光谱特性，通过短脉冲激光在热膨胀下生成光声信号，提供高空间分辨率和显著的成像深度，被广泛应用于生物医学和临床前研究。本文综述了PAI的基本原理、在人体和动物组织中的最新研究进展及其未来前景。
光声成像的基本原理
PAI基于光声效应，即通过光照射组织产生的光声信号的收集和重建。主要组件包括光激发源、超声换能器、样品平台以及数据采集和处理设备。光声成像系统的完整图示包括激光驱动单元（LDU）、圆形扫描板（CSP）、样品（S）、电机滑轮系统（MPS）、电机（M）、数据采集卡（DAQ）以及超声信号接收、放大和过滤单元（R/A/F）。
光声效应示意图（B）PAI系统的示意图。LDU：激光驱动单元；CSP：圆形扫描板；S：样品；MPS：电机滑轮系统；M：电机；DAQ：数据采集卡；R/A/F：超声信号接收、放大和过滤单元；UST：超声换能器。（C）每个脉冲的能量强度与产生的声压之间的关系。声压随输入能量强度线性增加。
光声成像设备
1. 光激发源：PA成像中最适合的波长范围为532 nm至1064 nm，NIR光由于较弱的光学衰减和散射，能够实现更大的组织穿透深度。新型激光二极管和高功率LED逐渐成为紧凑、经济高效和高帧率的光激发源。
光声信号的生成 使用460 nm LED（a）、530 nm LED（b）、590 nm LED（c）和620 nm LED（d）激发生成的PA振幅图像的光声信号。
2. 超声换能器：目前大多数PAI演示使用基于压电材料（PZT或PZT复合材料）的商用常规超声换能器。此外，电容式微机械超声换能器（cMUT）被认为是一种有前途的换能器技术，具有更宽的带宽和更高的灵敏度。
PZT和cMUT的光谱灵敏度 PZT（A）和cMUT（B）的光谱灵敏度随角度的变化。（C）使用PMN-PT/环氧1-3复合材料、PMN-PT和PZT复合材料对大鼠直肠的超声和光声图像。（D）(a) 使用64、128和256元换能器重建的光声图像。(b) 血管沿径向方向的光声振幅图。(c) 血管沿横向方向的光声振幅图。
成像算法与性能
-
成像算法：常用的成像算法包括反投影算法、压缩感知算法和迭代重建算法。反投影算法速度快，但可能引入伪影；压缩感知算法能够在有限视图采集中实现无伪影成像；迭代重建算法虽然复杂但能补偿噪声和不完整数据的敏感性。
-
对比剂：PA成像可以使用内源性和外源性对比剂。内源性对比剂包括黑色素、水、脂肪、血红蛋白等；外源性对比剂包括高吸光染料或纳米颗粒，能够显著增强成像对比度。
-
成像分辨率：PAI的空间分辨率受光学和声学衰减限制，较高的超声频率能够实现更好的分辨率但成像深度较小。使用近红外光（NIR）可获得更好的聚焦性能，从而实现更细的横向分辨率。
光学吸收系数与纳米探针示意图（A）主要组织色素的光学吸收系数。（B）CPQ纳米探针被MMPs激活的示意图。结合的黑洞淬灭剂3（BHQ3）-肽-CuS在暴露于MMPs后会被切割，从而释放出BHQ3。（C）合成银纳米片的示意图，具有更圆和更稳定的尖端。（D）cRGD-PDI纳米颗粒的制备过程及其用于早期血栓检测的机制示意图。（E）可生物降解金纳米颗粒的示意图。对比剂是由嵌入可生物降解PCPP的小金纳米颗粒生成的，既能实现诊断潜力，又能在体内降解为无害副产物以排出。
应用
1. 皮肤和关节成像：PAI在皮肤和关节成像中表现出色，能够高分辨率地成像皮肤结构和血管网络，应用于黑色素沉着、鲜红斑痣等皮肤病的诊断。
皮肤色素沉着与脱色照片 （A）表皮结构中色素沉着和脱色的皮肤照片。 （B）鲜红斑痣（PWS）皮肤和正常皮肤的PA图像和照片。 （C）使用40、21和15 MHz频率换能器探头在1064 nm波长下获得的人体前臂在体PA/US图像。(a) 受试者前臂皮肤的照片。(b) 使用40 MHz、(c) 21 MHz和(d) 15 MHz频率换能器探头获取的融合PA/US图像，以及通过PA体积的最大强度投影（MIP）图像。 （D）鸡胸肉块的示意图和PAM图像，交叉的头发插入表面下约1毫米。头发的分辨率约为15 dB SNR。 （E）人类近端指间关节在矢状面和横断面的光声/超声图像。右侧为超声成像显示的解剖结构。
2. 乳腺肿瘤和血管疾病检测：PAI能够高对比度地成像乳腺肿瘤周围的血管结构，区分良性和恶性肿瘤。便携式血管内光声-超声系统能够实时显示动脉硬化病变。
截面图像与组织病理学 （A）IVPA和IVUS的横截面图像及IVPA-US融合图像。（B）用特定染料染色的组织病理学图像和脂质沉积部位的放大图像。（C）利用单元换能器（a）和双元换能器（b）获取的正常血管的PA图像，以及沿(a,b)中虚线的PA振幅分布。正常血管（c）和动脉粥样硬化斑块（d）的PA图像，以及相应的明场光学图像。(e–h) 用油红染色的动脉粥样硬化血管样本中的富脂斑块。
3. 宫颈癌检测：PAI能够快速扫描整个宫颈区域，通过检测血管新生水平进行宫颈癌诊断。结合超声成像和特定靶向对比剂的PAI在前列腺癌等其他癌症的早期检测中也展现出巨大潜力。
未来前景
PAI作为一种非侵入性、高分辨率的成像技术，具有广泛的临床应用前景。未来的研究方向包括开发更紧凑高效的成像设备、优化成像算法以及探索更多的生物医学应用。
最后惯例一张AI图：
参考文献
Liu, Huibin, Xiangyu Teng, Shuxuan Yu, Wenguang Yang, Tiantian Kong, and Tangying Liu. “Recent Advances in Photoacoustic Imaging: Current Status and Future Perspectives.” Micromachines 15, no. 8 (2024): 1007.
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间联系我们，我们将协调进行处理，最终解释权归旭为光电所有。
