加州理工學(xué)院（Caltech）研究團(tuán)隊(duì)的最新進(jìn)展表明，光聲斷層掃描技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大腦成像的好方法。

光聲計(jì)算機(jī)斷層掃描（PACT）基于光聲成像原理，創(chuàng)建血管和血管造影結(jié)構(gòu)的圖像。

這項(xiàng)技術(shù)使用非電離激光脈沖短暫加熱吸收目標(biāo)，引起膨脹，然后讓其冷卻收縮，進(jìn)而產(chǎn)生超聲信號(hào)。接著，該信號(hào)能夠以類(lèi)似功能性磁共振成像（MRI）的方式重建，可生成顯示目標(biāo)內(nèi)部光吸收分布的圖像。

尤其是，PACT還可以利用對(duì)氧和脫氧血紅蛋白的不同光吸收來(lái)重建血管系統(tǒng)，顯然，在這方面PACT比MRI技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。

Lihong Wang是PACT的主要開(kāi)拓者之一，他過(guò)往的成績(jī)包括將該技術(shù)應(yīng)用于乳腺癌檢查、小動(dòng)物研究，以及如何最大限度地利用從固有的微弱光聲信號(hào)中提取有用信息。然而，迄今為止，人類(lèi)大腦的PACT尚未實(shí)現(xiàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，Lihong Wang在加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)的最新研究展示了對(duì)人腦的大規(guī)模并行功能性光聲計(jì)算機(jī)斷層掃描，這表明該技術(shù)可能是監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)期間血濃度和氧合變化的一種有價(jià)值的方法。近日，這項(xiàng)研究以題為“Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain”發(fā)表于Nature Biomedical Engineering雜志，論文鏈接為：https://www.nature.com/articles/s41551-021-00735-8。

人腦三維全景快速掃描光聲層析成像儀（1K3D-fPACT）示意圖

“在乳房成像中，一般只希望看到血管，因?yàn)檫@樣可以揭示腫瘤的存在。”Lihong Wang解釋道，“但是成像大腦活動(dòng)的功能變化僅僅是基準(zhǔn)信號(hào)幾個(gè)百分點(diǎn)的改變。這是難以衡量的數(shù)量級(jí)?！?/p>

該研究中所涉及的PACT平臺(tái)專門(mén)用于解決視場(chǎng)角、靈敏度、分辨率以及人體工程學(xué)舒適度等方面的挑戰(zhàn)。1064納米和694納米的雙波長(zhǎng)激光模塊激發(fā)從氧化血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的PA波，而四組由256個(gè)元件組成的半球超聲波換能器陣列將記錄下所產(chǎn)生的信號(hào)。

來(lái)自1024顆傳感器的數(shù)據(jù)可通過(guò)計(jì)算機(jī)算法最終形成一幅3D全腦圖，可顯示整個(gè)大腦的血液流動(dòng)和氧合情況。

PACT是穩(wěn)固、強(qiáng)大且實(shí)用的工具，為人類(lèi)神經(jīng)成像而生！

在試驗(yàn)中，加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模并行超聲波換能器陣列使得PACT能夠產(chǎn)生更為清晰的大腦斷層圖像：視場(chǎng)角直徑10厘米、成像深度約1厘米、空間分辨率350微米、時(shí)間分辨率2秒。

盡管這項(xiàng)技術(shù)目前僅限于對(duì)淺表皮層的成像，但據(jù)研究團(tuán)隊(duì)稱，該技術(shù)至少可以利用對(duì)大腦皮層中樞節(jié)點(diǎn)的成像，來(lái)監(jiān)控至少部分大腦主要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的靜息狀態(tài)動(dòng)態(tài)。

這些實(shí)驗(yàn)成果使研究團(tuán)隊(duì)相信，由于這項(xiàng)技術(shù)比核磁共振檢查更簡(jiǎn)便、更便宜且尺寸更緊湊，因此該技術(shù)“未來(lái)很可能成為人類(lèi)神經(jīng)成像的穩(wěn)固、強(qiáng)大且實(shí)用的工具”。然而，如頭發(fā)和頭皮的影響等現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)將首先需要解決。

“另外，我們還需要克服的障礙是顱骨。”Lihong Wang解釋道，“它是聲學(xué)透鏡，但效果不好，所以信號(hào)也會(huì)失真衰減。就像透過(guò)一扇波浪形窗戶往外看。”

就目前試驗(yàn)?zāi)康亩?，該?xiàng)目可以接觸到一些經(jīng)歷過(guò)創(chuàng)傷性腦損傷并接受了半開(kāi)顱減壓術(shù)的患者，切除部分顱骨作為潛在挽救生命的過(guò)程。這個(gè)問(wèn)題的長(zhǎng)期解決方案可能會(huì)是開(kāi)發(fā)新一代重建算法，以解釋顱骨的聲學(xué)異質(zhì)性。

然而，目前的研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)了光聲計(jì)算機(jī)斷層掃描可在人腦成像中應(yīng)用，該研究相信PACT可以在大腦成像和治療中發(fā)揮重要作用。

“神經(jīng)成像是開(kāi)發(fā)新治療模式的核心?！蹦霞又荽髮W(xué)（USC）神經(jīng)恢復(fù)中心副主任、該研究成員Jonathan Russin評(píng)論道，“這次研究是朝向開(kāi)發(fā)有效新型工具邁出了非常重要的一步，以補(bǔ)充當(dāng)前方法（如基于核磁共振技術(shù)）的不足。”

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