光聲斷層掃描技術是實現(xiàn)大腦成像的好方法

加州理工學院（Caltech）研究團隊的最新進展表明，光聲斷層掃描技術是實現(xiàn)大腦成像的好方法。

光聲計算機斷層掃描（PACT）基于光聲成像原理，創(chuàng)建血管和血管造影結構的圖像。

這項技術使用非電離激光脈沖短暫加熱吸收目標，引起膨脹，然后讓其冷卻收縮，進而產(chǎn)生超聲信號。接著，該信號能夠以類似功能性磁共振成像（MRI）的方式重建，可生成顯示目標內(nèi)部光吸收分布的圖像。

尤其是，PACT還可以利用對氧和脫氧血紅蛋白的不同光吸收來重建血管系統(tǒng)，顯然，在這方面PACT比MRI技術更具優(yōu)勢。

Lihong Wang是PACT的主要開拓者之一，他過往的成績包括將該技術應用于乳腺癌檢查、小動物研究，以及如何最大限度地利用從固有的微弱光聲信號中提取有用信息。然而，迄今為止，人類大腦的PACT尚未實現(xiàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，Lihong Wang在加州理工學院的研究團隊的最新研究展示了對人腦的大規(guī)模并行功能性光聲計算機斷層掃描，這表明該技術可能是監(jiān)測大腦活動期間血濃度和氧合變化的一種有價值的方法。近日，這項研究以題為“Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain”發(fā)表于Nature Biomedical Engineering雜志，論文鏈接為：https://www.nature.com/articles/s41551-021-00735-8。

人腦三維全景快速掃描光聲層析成像儀（1K3D-fPACT）示意圖

“在乳房成像中，一般只希望看到血管，因為這樣可以揭示腫瘤的存在?！盠ihong Wang解釋道，“但是成像大腦活動的功能變化僅僅是基準信號幾個百分點的改變。這是難以衡量的數(shù)量級?！?/p>

該研究中所涉及的PACT平臺專門用于解決視場角、靈敏度、分辨率以及人體工程學舒適度等方面的挑戰(zhàn)。1064納米和694納米的雙波長激光模塊激發(fā)從氧化血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的PA波，而四組由256個元件組成的半球超聲波換能器陣列將記錄下所產(chǎn)生的信號。

來自1024顆傳感器的數(shù)據(jù)可通過計算機算法最終形成一幅3D全腦圖，可顯示整個大腦的血液流動和氧合情況。

PACT是穩(wěn)固、強大且實用的工具，為人類神經(jīng)成像而生！

在試驗中，加州理工學院的研究團隊發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模并行超聲波換能器陣列使得PACT能夠產(chǎn)生更為清晰的大腦斷層圖像：視場角直徑10厘米、成像深度約1厘米、空間分辨率350微米、時間分辨率2秒。

盡管這項技術目前僅限于對淺表皮層的成像，但據(jù)研究團隊稱，該技術至少可以利用對大腦皮層中樞節(jié)點的成像，來監(jiān)控至少部分大腦主要神經(jīng)網(wǎng)絡的靜息狀態(tài)動態(tài)。

這些實驗成果使研究團隊相信，由于這項技術比核磁共振檢查更簡便、更便宜且尺寸更緊湊，因此該技術“未來很可能成為人類神經(jīng)成像的穩(wěn)固、強大且實用的工具”。然而，如頭發(fā)和頭皮的影響等現(xiàn)實挑戰(zhàn)將首先需要解決。

“另外，我們還需要克服的障礙是顱骨?！盠ihong Wang解釋道，“它是聲學透鏡，但效果不好，所以信號也會失真衰減。就像透過一扇波浪形窗戶往外看?！?/p>

就目前試驗目的而言，該項目可以接觸到一些經(jīng)歷過創(chuàng)傷性腦損傷并接受了半開顱減壓術的患者，切除部分顱骨作為潛在挽救生命的過程。這個問題的長期解決方案可能會是開發(fā)新一代重建算法，以解釋顱骨的聲學異質(zhì)性。

然而，目前的研究結果已經(jīng)證實了光聲計算機斷層掃描可在人腦成像中應用，該研究相信PACT可以在大腦成像和治療中發(fā)揮重要作用。

“神經(jīng)成像是開發(fā)新治療模式的核心?！蹦霞又荽髮W（USC）神經(jīng)恢復中心副主任、該研究成員Jonathan Russin評論道，“這次研究是朝向開發(fā)有效新型工具邁出了非常重要的一步，以補充當前方法（如基于核磁共振技術）的不足?！?/p>

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