新技术让科学家用彩色三维图像看清人体内部

该研究成果发表于《自然-生物医学工程》杂志。

现有成像工具的不足：标准超声速度快、价格亲民且应用广泛，但主要显示二维组织形态，视野有限。光声成像提供不同信息：向体内发射激光，检测特定分子吸收光后产生的声波，能让医生和研究人员看到血管的光学颜色并观察动静脉血流。然而，光声成像难以捕捉详细的组织结构。其他常见成像方法，如计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI），也各有取舍：可能需要造影剂、使患者暴露于电离辐射、成本更高或无法频繁使用。

结合超声与光声成像：为克服这些局限，研究团队开发了RUS-PAT（旋转超声断层扫描RUST与光声断层扫描PAT的结合）。光声断层扫描由加州理工学院医学工程与电气工程布伦教授、安德鲁和佩吉·陈医学工程领导力主席王立宏（Lihong Wang）于二十多年前首次提出。在PAT中，吸收光的组织分子受到短激光脉冲照射后振动，产生可测量并转化为详细图像的声波信号。王立宏同时担任加州理工学院医学工程执行主任，他表示新项目的目标是融合超声和光声成像的优势：“但这并非简单的1+1，我们需要找到两种技术的最佳结合方式。”

更简单实用的设计：传统超声系统依赖多个换能器发射和接收声波，与光声成像直接整合过于复杂且成本高昂，难以广泛应用。相比之下，光声成像只需超声检测。这一差异启发了王立宏：“我想，‘能否像光声断层扫描中用光激发超声波那样，用超声波来实现呢？’”在光声成像中，激光穿透组织并触发可测量的超声波。王立宏意识到，单个宽场超声换能器可向组织发射声波，同一探测器即可捕捉两种成像方法的信号。最终系统使用少量弧形探测器围绕中心点旋转，这种设置能有效发挥全半球探测器的作用，同时更简单、成本更低。

人体应用潜力已证实：该研究合著者、加州理工学院生物学与生物工程访问副教授查尔斯·刘（Charles Y. Liu）博士表示：“这种声学与光声技术的新颖结合解决了当前临床实践中广泛使用的医学成像技术的诸多关键局限，重要的是，其在人体应用的可行性已在多种情况下得到证实。”刘博士同时是南加州大学凯克医学院教授、南加州大学神经修复中心主任及Rancho Los Amigos国家康复中心神经外科主任。由于该方法可在任何光能够到达的地方使用，RUS-PAT可能具有广泛的临床应用。在乳腺癌成像中，它能帮助医生精确定位肿瘤，同时揭示其生物活性信息；对糖尿病神经病变患者，可在一次扫描中同时监测神经结构和氧供。王立宏还指出其在脑研究中的潜力：科学家可在研究脑解剖结构的同时观察血流动力学。

速度、深度与早期测试：目前，该系统可成像深度约达4厘米。光也可通过内窥镜工具传输，有望用于身体更深部位。每次RUS-PAT扫描不到一分钟。当前装置将超声换能器和激光置于扫描床下方，已在人类志愿者和患者身上进行测试，目前正处于向临床应用推进的早期阶段。

研究细节与资金：该论文题为《人体旋转超声与光声断层扫描》，共同第一作者为张阳、那帅和乔纳森·J·鲁辛（Jonathan J. Russin）博士。张阳和那帅在加州理工学院做博士后期间开展了这项工作，现分别就职于清华大学和北京大学。鲁辛隶属于南加州大学凯克医学院及加利福尼亚州唐尼市的Rancho Los Amigos国家康复中心。加州理工学院的其他贡献者包括卡尔提克亚·萨斯特里（Karteekeya Sastry）、李林（2020年博士）、郑君富、罗怡琳、童鑫（2021年硕士）、安玉金、胡鹏（2023年博士）以及前研究科学家康斯坦丁·马斯洛夫（Konstantin Maslov）。李林目前就职于中国浙江大学。南加州大学凯克医学院的Tze-Woei Tan博士也是合著者之一。该研究由美国国立卫生研究院资助。