開展腦科學(xué)研究離不開先進(jìn)的腦功能成像與檢測(cè)技術(shù)

腦科學(xué)是21世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的重大科學(xué)問題，其意義在于促進(jìn)人類理解認(rèn)知、思維、意識(shí)和語言機(jī)理，幫助診斷和治療腦疾病，被視為未來新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和引領(lǐng)新科技革命的潛在引擎。

開展腦科學(xué)研究離不開先進(jìn)的腦功能成像與檢測(cè)技術(shù)，其中血氧水平依賴性功能磁共振成像（BOLD fMRI）被作為非侵入式腦功能成像的主流技術(shù)在科研和臨床上得到大量應(yīng)用。然而，其造價(jià)高昂、占地龐大、缺乏分子特異性、對(duì)鐵磁性植入假體不兼容，以及需將受試者置于高噪音密閉空間等問題限制了其廣泛應(yīng)用。

近年來，光聲成像作為一種新型復(fù)合型成像技術(shù)，因其兼具光學(xué)成像的分子特異性以及超聲成像的深度和分辨率等特點(diǎn)，在血管造影、腫瘤診斷，以及動(dòng)物神經(jīng)成像等方面得到迅速發(fā)展。同時(shí)，光聲計(jì)算斷層成像（PACT）可通過測(cè)量脫氧血紅蛋白（HbR）和氧合血紅蛋白（HbO2）濃度來量化血氧飽和度，進(jìn)而提供了一種安全高效、成本低廉的功能性成像方法。然而早期的PACT系統(tǒng)受成像速度、靈敏度、視場(chǎng)范圍和穿透深度等因素限制，其在臨床腦成像領(lǐng)域的應(yīng)用尚處空白。

2021年5月31日，來自加州理工學(xué)院（Caltech）的Lihong V. Wang（汪立宏）科研團(tuán)隊(duì)與南加州大學(xué)（USC）的Charles Y. Liu和Danny J. Wang課題組合作在Nature Biomedical Engineering雜志上發(fā)表了文章Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain。

研究人員將光聲成像理論應(yīng)用于人腦功能成像，設(shè)計(jì)了雙波長(zhǎng)激光照射系統(tǒng)和超聲換能器陣列，研發(fā)出超低噪聲前端信號(hào)放大電路，集成了實(shí)時(shí)全通道信號(hào)采集系統(tǒng)，運(yùn)用全景掃描策略，開發(fā)了分段非均勻聲學(xué)介質(zhì)自適應(yīng)重建算法，并設(shè)計(jì)了符合人體工程學(xué)的頭部穩(wěn)定裝置，成功研發(fā)出人腦三維全景快速掃描光聲層析成像儀（1K3D-fPACT）。

研究人員對(duì)數(shù)位半顱術(shù)后患者（接受了偏側(cè)顱骨切除術(shù)）進(jìn)行了功能性腦成像，實(shí)現(xiàn)了在直徑10厘米視場(chǎng)內(nèi)，對(duì)大腦皮層以下11毫米的血管造影，同時(shí)測(cè)量了HbR與HbO2濃度功能性變化，并應(yīng)用于對(duì)運(yùn)動(dòng)、聽覺和語言等認(rèn)知刺激任務(wù)下腦功能響應(yīng)的觀測(cè)。成像空間分辨率和時(shí)間分辨率分別達(dá)到350微米和2秒，83%靈敏度對(duì)應(yīng)的空間特異性為85%至93%，接收者操作特征曲線（ROC）下面積（AUC）為0.94。這些特征參數(shù)與相同受試者使用7T MRI成像得到的結(jié)果高度吻合，且光聲層析成像檢測(cè)到的功能響應(yīng)延時(shí)比7T MRI成像短約2秒，因此可以更準(zhǔn)確反映神經(jīng)元活動(dòng)特征，有望提高臨床腦功能檢測(cè)精度。

1K3D-fPACT系統(tǒng)示意圖。

(左) 側(cè)視圖；（右）剖面圖。

在硬件設(shè)計(jì)上，該成像系統(tǒng)使用兩種波長(zhǎng)的脈沖激光器（分別對(duì)應(yīng)HbR與HbO2的主導(dǎo)吸收波段）用以實(shí)現(xiàn)寬場(chǎng)照明。超聲探測(cè)方面，該系統(tǒng)由4條1/4弧形超聲換能器陣列組成，每個(gè)陣列均勻分布了256個(gè)中心頻率為2.25 MHz的換能器，并一一對(duì)應(yīng)地連接到前置放大器與數(shù)據(jù)采集卡上。該4條環(huán)形陣列可繞球心進(jìn)行共軸旋轉(zhuǎn)掃描，從而形成半球狀探測(cè)表面。根據(jù)不同成像應(yīng)用，該系統(tǒng)能以基準(zhǔn)模式（用以實(shí)現(xiàn)350微米的各向同性空間分辨率）與功能模式（用以實(shí)現(xiàn)2秒的時(shí)間分辨率）進(jìn)行掃描。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，為比較1K3D-fPACT與7T BOLD fMRI的成像質(zhì)量，研究者對(duì)數(shù)位患者進(jìn)行了腦部掃描。在基準(zhǔn)模式下，1K3D-fPACT可以獲得清晰的三維血管造影，該結(jié)果經(jīng)過圖像配準(zhǔn)后與作為金標(biāo)準(zhǔn)的磁共振血管造影（MRA）成像具有高度的空間相似性，且能獲得更為豐富的血管細(xì)節(jié)。利用功能模式進(jìn)行掃描，1K3D-fPACT系統(tǒng)可以0.5 Hz的幀率實(shí)現(xiàn)腦功能區(qū)域的功能成像。針對(duì)大腦皮層的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，研究者設(shè)計(jì)了三種動(dòng)作功能任務(wù)（分別為連續(xù)手指敲擊、嘴唇皺起以及舌敲擊）令被試者完成。在每種動(dòng)作執(zhí)行過程中，研究者分別用1K3D-fPAC和7T fMRI對(duì)被試者進(jìn)行腦部成像，并記錄大腦皮層各區(qū)域在該過程中的信號(hào)強(qiáng)度變化?；谠摃r(shí)間序列，研究者通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法提取出大腦皮層上反應(yīng)較為劇烈的區(qū)域，并與BOLD fMRI進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示兩種成像方法探測(cè)到的大腦皮層響應(yīng)區(qū)域具有高度相似性，從而證明了利用1K3D-fPACT進(jìn)行腦部功能性成像的可行性。進(jìn)一步，研究者設(shè)計(jì)了被動(dòng)性聽覺任務(wù)以及無聲詞語生成任務(wù)，對(duì)被試者的語言功能中樞響應(yīng)進(jìn)行了成像，結(jié)果與BOLD fMRI仍具有高度相似性。

人腦血管造影。(左) PACT血管造影；（右）MRI血管造影。

紅色所示為大腦皮層血管，綠色所示為頭皮血管。

人腦功能成像結(jié)果。

綜上所述，該研究結(jié)合高密度的超聲探測(cè)、高質(zhì)量的硬件架構(gòu)以及高穩(wěn)定性的算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏側(cè)顱骨切除術(shù)患者的高質(zhì)量腦功能成像。這一研究成果為更廣泛和普適的臨床腦功能光聲成像奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

據(jù)悉，本文的第一作者是加州理工學(xué)院的那帥博士，其余三位并列第一作者分別為來自USC的助理教授和腦血管外科主任Russin J. Johnathan，來自加州理工學(xué)院的林勵(lì)博士，以及現(xiàn)為清華大學(xué)博士后的袁肖赟博士。本文的通訊作者分別為來自USC的Charles Y. Liu 教授以及加州理工學(xué)院的汪立宏（Lihong V. Wang）教授。

論文信息

Na, S., Russin, J.J., Lin, L. et al. Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain. Nat Biomed Eng (2021).

據(jù)悉，本文的第一作者是加州理工學(xué)院的那帥博士，其余三位并列第一作者分別為來自USC的助理教授和腦血管外科主任Russin J. Johnathan，來自加州理工學(xué)院的林勵(lì)博士，以及現(xiàn)為清華大學(xué)博士后的袁肖赟博士。本文的通訊作者分別為來自USC的Charles Y. Liu 教授以及加州理工學(xué)院的汪立宏（Lihong V. Wang）教授。

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