加州理工学院利用光声成像技术实现大脑活体3D成像

加州理工学院(Caltech)研究团队的最新进展表明，光声断层扫描技术是实现大脑成像的好方法。

光声计算机断层扫描(PACT)基于光声成像原理，创建血管和血管造影结构的图像。

这项技术使用非电离激光脉冲短暂加热吸收目标，引起膨胀，然后让其冷却收缩，进而产生超声信号。接着，该信号能够以类似功能性磁共振成像(MRI)的方式重建，可生成显示目标内部光吸收分布的图像。

尤其是，PACT还可以利用对氧和脱氧血红蛋白的不同光吸收来重建血管系统，显然，在这方面PACT比MRI技术更具优势。

Lihong Wang是PACT的主要开拓者之一，他过往的成绩包括将该技术应用于乳腺癌检查、小动物研究，以及如何最大限度地利用从固有的微弱光声信号中提取有用信息。然而，迄今为止，人类大脑的PACT尚未实现。

据麦姆斯咨询报道，Lihong Wang在加州理工学院的研究团队的最新研究展示了对人脑的大规模并行功能性光声计算机断层扫描，这表明该技术可能是监测大脑活动期间血浓度和氧合变化的一种有价值的方法。

人脑三维全景快速扫描光声层析成像仪(1K3D-fPACT)示意图

“在乳房成像中，一般只希望看到血管，因为这样可以揭示肿瘤的存在。”Lihong Wang解释道，“但是成像大脑活动的功能变化仅仅是基准信号几个百分点的改变。这是难以衡量的数量级。”

该研究中所涉及的PACT平台专门用于解决视场角、灵敏度、分辨率以及人体工程学舒适度等方面的挑战。1064纳米和694纳米的双波长激光模块激发从氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白的PA波，而四组由256个元件组成的半球超声波换能器阵列将记录下所产生的信号。

来自1024颗传感器的数据可通过计算机算法最终形成一幅3D全脑图，可显示整个大脑的血液流动和氧合情况。

PACT是稳固、强大且实用的工具，为人类神经成像而生!

在试验中，加州理工学院的研究团队发现，大规模并行超声波换能器阵列使得PACT能够产生更为清晰的大脑断层图像：视场角直径10厘米、成像深度约1厘米、空间分辨率350微米、时间分辨率2秒。

尽管这项技术目前仅限于对浅表皮层的成像，但据研究团队称，该技术至少可以利用对大脑皮层中枢节点的成像，来监控至少部分大脑主要神经网络的静息状态动态。

这些实验成果使研究团队相信，由于这项技术比核磁共振检查更简便、更便宜且尺寸更紧凑，因此该技术“未来很可能成为人类神经成像的稳固、强大且实用的工具”。然而，如头发和头皮的影响等现实挑战将首先需要解决。

“另外，我们还需要克服的障碍是颅骨。”Lihong Wang解释道，“它是声学透镜，但效果不好，所以信号也会失真衰减。就像透过一扇波浪形窗户往外看。”

就目前试验目的而言，该项目可以接触到一些经历过创伤性脑损伤并接受了半开颅减压术的患者，切除部分颅骨作为潜在挽救生命的过程。这个问题的长期解决方案可能会是开发新一代重建算法，以解释颅骨的声学异质性。

然而，目前的研究结果已经证实了光声计算机断层扫描可在人脑成像中应用，该研究相信PACT可以在大脑成像和治疗中发挥重要作用。

“神经成像是开发新治疗模式的核心。”南加州大学(USC)神经恢复中心副主任、该研究成员Jonathan Russin评论道，“这次研究是朝向开发有效新型工具迈出了非常重要的一步，以补充当前方法(如基于核磁共振技术)的不足。”