文章来源：思宇MedTech ；编辑：杨柳荣
前言
医学影像已经成为生命科学研究、临床诊断和疾病监测的重要手段。目前，医疗标准数据中超过90%的数据来自于医学影像。从X线机、CT、MRI、US、OCT到核医学成像设备等，医学影像设备种类繁多，各有千秋，但又有各自的局限性。光声成像是一种无损的，结合光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性优势的新型医学影像技术。光声CT作为发展最早的光声成像技术之一，经过十几年的发展，已经在科研和临床应用等各方面都取得了巨大的进步。一起来看看光声CT是如何“倾听”光的声音层析身体的吧！
光声计算机断层扫描（Photoacoustic Computed Tomography,PACT），也被称为热声断层扫描 (Thermoacoustic tomography,TAT) 或光声断层扫描 (Optoacoustic Tomography,OAT)，是一种结合了传统光学成像的光学对比度优势（可以增加成像信息的丰富程度）和传统超声成像的声学分辨率优势（能够在几厘米的成像深度内仍保持较高的分辨率），利用贝尔发现的光声效应（当物体在周期性变化的光照下会产生声信号的现象）来获取生物体组织影像，并经过计算机重建的成像技术。
Alexander A. Oraevsky博士是最早研究生物医学光声成像技术的科学家之一。1980年代末，Alexander A. Oraevsky在前苏联莫斯科科学院用镭射切除软组织时，意外地发现被激光脉冲照射的软组织周围会出现超声波，由此联想利用接收到超声波可以对生物体组织进行成像。如今，光声成像通常会用时长为纳秒级的激光脉冲照射生物体，被照射的生物体组织中的生色团吸收脉冲光能量并发生非辐射跃迁，组织会瞬间温升产生热弹性膨胀，进而以超声波的形式向外传播。使用超声换能器可以获取生物体组织向外传播的超声波，再经过数据处理，重建组织内的初始声压分布,进而反演出光吸收系数、热膨胀特性参数等的空间分布，从而获得组织的结构和功能等信息。
根据图像重建方式的不同，光声成像可以分为光声CT和光声显微成像。光声CT可以实现厘米级别的穿透深度，快速且大范围成像，在小动物成像、乳腺成像、脑功能成像等领域得到了广泛应用。到 2028 年，光声CT全球市场规模预计将从 2021 年的 6112 万美元达到约2.1亿美元；预计从 2021 年到 2028 年，复合年增长率将达到 19.2%。
由于心脏周围的肋骨和肺会遮挡超声信号，心脏成像曾一直是光声成像较难触及的领域。但近期，浙江大学和加州理工大学共同发布的一篇论文显示，心脏成像将不再是光声成像的“盲区”。浙江大学生物医学工程与仪器科学学院林励教授及其团队在改进开发的三维光声计算层析成像（three-dimensional photoacoustic computed tomography，3D-PACT）平台的基础上，实现了大鼠心脏无创三维成像，基于对照明和探测方案的优化，能够很好地降低通过胸壁的光学衰减和声学失真的影响。
林励教授及其团队最初开发的3D-PACT是针对乳腺癌成像的，能在 10 秒内完成全乳腺扫描并提供4厘米的成像深度。但因为疫情的影响，林励教授及其团队便将3D-PACT拓展到临床前研究。在用3D-PACT运用在小动物脑成像取得了令人满意的结构后，林励教授及其团队又将目光投向了光声成像的“盲区”心脏成像。
通过 3D-PACT 获得的大鼠心脏结构图像
林励教授及其团队改进开发的3D-PACT，拥有一个超大的超声孔径，可以提供半全景超声探测视角，有助于减弱肋骨和肺部组织对超声信号的遮挡。同时，采用波长为 1064 纳米的光照，在生物组织中经过相对较少的散射，达到更深的穿透深度，覆盖整个心脏。此外，在扫描过程中，通过同步 3D-PACT 与心电图测量，利用心跳周期引导光声信号时间门控采集。进而无创、清晰地展示了活体大鼠心脏的整体解剖结构和功能特性。据了解，该团队研发的 3D-PACT 拥有非常广泛的应用场景，可以用于大多体表病灶，包括乳腺癌、甲状腺癌、皮肤癌等，同时也具备成像婴幼儿心脏和心血管的潜力。
（一）TomoWave Laboratories
TomoWave Laboratories 是一家专门开发生物医用的光声CT的创新型医学影像公司，在光声CT成像、传感和监测方面拥有丰富的经验。与使用具有电离辐射的 X 射线成像射或使用造影剂成像或实现成像过于昂贵的现有技术相比，TomoWave Laboratories在癌症和血管疾病的医学成像方面取得了一些突破。TomoWave 还正在开发用于诊断、图像引导手术和监测热疗的 4D光声CT。
LOUISA-3D 是一种非侵入性临床乳腺成像，可生成乳房的三维体积图像，以及用于图像联合配准的二维超声图像。这些图像以高空间分辨率显示微循环、血氧和分子组成的功能信息。结合基于超声的解剖图像，可为医生提供全面的诊断、手术和治疗信息。
（二）武汉和视光声科技有限公司
武汉和视光声科技有限公司是一家总部位于武汉光谷生物城的创新科技公司，致力于光声计算机断层扫描技术(PACT)的研发及应用，主要针对人体乳腺和小动物全身进行无电离辐射伤害的功能成像。公司董事长汪立宏教授是美国工程院院士，世界光声成像技术的开拓者。武汉和视光声的PACT已经实现了完整、高质量的人体内乳腺肿瘤和小动物全身的活体成像。
人体乳腺光声成像系统(SBH-PACT)可以显示人体乳房的详细血管结构。SBH-PACT可实现人体内4厘米深度的组织成像，具有极高的空间分辨率和时间分辨率（255 μm 平面分辨率和10 Hz 的2D帧速率）。通过扫描整个乳房（屏气15秒），获得3D立体图像，可以忽略呼吸引起的运动伪影。适合成像的乳房大小从A到DD，也适合各种不同肤色的患者。SBH-PACT通过血管密度的异常来找出肿瘤组织。除了血管成像之外，SBH-PACT的高成像速度可以进行动态研究，如光声弹性成像，它通过显示与正常弹性的不符来提供肿瘤的二次确认。
和传统医学影像设备越来越集成化、小型化、便携化一样，PACT也面临如何降低设备的成本和如何更小型化的挑战。PACT系统的成本主要花费在阵列式超声换能器、激发光源和数据采集系统上。此外，目前PACT常用的激光器和阵列式换能器的尺寸都较大。如何在降低成本且减小尺寸的情况下，依然能成像高质量的影像是工程师不得不面对的问题。期待PACT能造福更多的患者。
