无创光声介观脑成像技术

无创且纵向地对具有完整头皮和颅骨的小鼠脑部进行成像，在临床前研究中至关重要，因为它能保持小鼠的自然生理状态并监测慢性疾病的进展。然而，头皮、颅骨等复杂脑部结构会导致折射率不匹配和高光学衰减，影响光学脑成像的性能。现有无创成像技术如近红外II区荧光成像受荧光漂白和代谢清除限制，超声定位显微镜需去除头皮和重复注射微泡，而光学相干断层扫描血管造影（OCTA）和光声显微镜（PAM）虽能无标记成像，但透过完整头皮和颅骨成像仍具挑战，光声计算机断层扫描（PACT）则因高频超声衰减导致空间分辨率受限。
为解决这些问题，本研究提出光声计算介观成像（PACMes）方法，该方法整合了会聚近红线扫描、低频全环声学检测和复合图像重建技术。其工作原理包括：一是多角度扫描高度聚焦的近红外线，在垂直于光线方向保持高光学分辨率并实现高效激发；二是使用5MHz环形换能器阵列，实现对弱衰减光声信号的高灵敏度全视角检测，弥补近红外光吸收较弱的不足；三是提出结合滤波反投影和光声信号光学定位的复合重建算法，突破低频光声信号在平行于光线方向的声学衍射极限并抑制背景伪影。
实验结果显示，PACMes透过完整小鼠头皮和颅骨实现了33微米的高空间分辨率，视野达13毫米。通过对胶质瘤和脑卒中模型小鼠进行超过5个月的长期成像，成功观察到脑血管血流动力学紊乱及恢复的全过程。与传统PACT相比，PACMes分辨率更高；与近红外光声显微镜（NIR-OR-PAM）相比，在保持无创的同时能更清晰地分辨微血管。该方法为无创、无标记、高分辨率的深部脑成像提供了新视角，有望成为研究脑功能和疾病的有力工具。