编辑推荐：
在光声（PA）和超声（US）成像领域，传统线性阵列换能器成像存在分辨率和检测灵敏度等问题。研究人员开展三维衍射声层析成像（3D-DAT）研究，实现 3D PA 和 US 成像，性能提升显著，为生命科学和生物医学研究提供强大平台。
在生物医学成像的广阔领域中，光声成像（PA）和超声成像（US）宛如两颗璀璨的明星，它们利用光与声的奇妙组合，为我们打开了窥探生物组织内部奥秘的窗口。PA 成像就像是一位敏锐的 “光学侦探”，它借助短激光脉冲激发组织，当组织分子（如血红蛋白、黑色素、脂肪等）吸收扩散的光能后，会将其部分或全部转化为热能，再通过热弹性膨胀产生超声波，这些超声波被超声换能器阵列检测到，进而重建出能反映组织内部光沉积的断层图像，通过调节激发波长，还能像解开密码一样，区分不同的组织成分。而 US 成像则像是一位精准的 “结构测绘师”，它发射短脉冲超声波，凭借不同声阻抗的边界反射回波，清晰地勾勒出深部组织的解剖结构。这两种成像技术相辅相成，被广泛应用于各种生命科学研究和临床诊断中。
然而，就像任何技术在发展过程中都会遇到瓶颈一样，PA 和 US 成像也面临着诸多挑战。目前，大多数 PA 和 US 成像系统依赖带有仰角聚焦的线性阵列换能器，这就像是给它们戴上了一副 “二维枷锁”，只能实现二维成像，而且分辨率在不同方向上存在差异，也就是各向异性分辨率。这种局限性在许多实际应用中就像一道道难以跨越的鸿沟，阻碍了对生物组织更全面、更深入的了解。例如，在观察复杂的生物组织结构时，二维成像就如同盲人摸象，无法呈现出完整的三维信息；在检测微小的病变或追踪分子的动态变化时，各向异性的分辨率又使得图像不够清晰准确，容易遗漏关键信息。
为了突破这些困境，来自杜克大学（Duke University）等机构的研究人员勇挑重担，开展了一项具有开创性的研究 —— 三维衍射声层析成像（3D-DAT）技术的研发。经过不懈努力，他们取得了令人瞩目的成果，相关论文发表在《Nature Communications》上。这一成果就像一把神奇的钥匙，为生命科学和生物医学研究打开了一扇全新的大门，有望让我们在微观世界的探索中迈出更加坚实的步伐。
研究人员在这项研究中主要运用了以下几个关键技术方法：首先是基于单缝声学衍射原理，他们使用现成的线性阵列换能器，通过在换能器的仰角焦点处设置一个可精确控制宽度的透明玻璃狭缝，实现了独特的声学衍射效果。其次，开发了一种基于图形处理单元（GPU）加速的快速焦线（FFL）图像重建方法，大大提高了 3D 图像的重建速度。在实验过程中，研究人员使用了多种动物模型，包括玻璃蛙、小鼠肿瘤模型以及怀孕小鼠等，通过对这些模型的成像研究来验证 3D-DAT 技术的性能。
研究结果
- 3D-DAT 的原理：3D-DAT 系统主要由多波长光学照明、超声发射与检测以及动态衍射狭缝三个模块组成。它有两种工作模式，即衍射光声层析成像（DPAT）和衍射超声层析成像（DUST）。在 DPAT 模式下，使用三个不同波长的激光（532nm、668 - 1000nm、1064nm）进行宽场光学照明；在 DUST 模式下，线性阵列换能器发射的平面声波经狭缝衍射后变成近似圆柱形波，用于探测大体积样本。通过精确同步激光激发和超声发射，两种模式能在每个仰角扫描位置同时进行。FFL 重建方法基于焦线几何原理，通过将重建体素与狭缝开口以及狭缝开口与换能器之间的波传播路径进行精确计算，实现了近各向同性分辨率的 3D 成像。同时，利用 GPU 加速稀疏矩阵乘法，显著提高了重建速度，相比传统方法快了 50 倍。
- 3D-DAT 的特性：研究人员深入研究了狭缝宽度对成像性能的影响。通过模拟和实验发现，随着狭缝宽度的变化，3D-DAT 的成像性能可分为三个区域：扫描范围主导区、狭缝宽度主导区和声学透镜主导区。在扫描范围主导区，狭缝宽度较小，虽然能实现最佳的仰角分辨率（约 400μm），但由于狭缝阻挡了较多声能，信噪比（SNR）相对较低；在狭缝宽度主导区，狭缝宽度适中，仰角分辨率与狭缝宽度近似成正比，SNR 在 DPAT 模式下趋于平稳，在 DUST 模式下达到峰值；在声学透镜主导区，狭缝宽度较大，衍射效应可忽略不计，仰角分辨率由声学透镜决定，类似于传统 PA/US 成像。综合考虑，研究人员选择 0.8mm 作为最佳狭缝宽度。实验结果表明，3D-DAT 在不同深度的成像性能一致，相比传统 PA/US 成像，其在近各向同性分辨率、成像速度和视野等方面都有显著提升。例如，对星型和叶骨架模型的成像显示，3D-DAT 能更清晰地呈现模型的精细结构，其空间频率分布更加均匀。在对流动血液的成像实验中，3D-DAT 以 1Hz 的 3D 帧率、40×14×15mm3 的视野，成功捕捉到了血液在螺旋管中的流动情况，展现出了其高速度和大视野的优势。此外，在对不同氧合水平的血管进行成像时，DPAT 能够准确估计血氧饱和度，而传统 PA 成像则存在较大误差。
- 3D-DAT 在体内成像的验证：研究人员使用玻璃蛙和小鼠进行体内成像实验，进一步验证了 3D-DAT 的性能。在玻璃蛙的研究中，与传统 PA 和 US 成像相比，3D-DAT 的 DPAT 模式能够更清晰地显示血管结构，多波长 DPAT 还揭示了玻璃蛙体内不同的内源性对比度，如血红蛋白、黑色素和胆绿素结合丝氨酸蛋白酶抑制剂（BBS）等。同时，DUST 模式也提高了对玻璃蛙内部器官（如肺和骨骼）的成像质量。在小鼠全身成像实验中，DPAT 能够清晰分辨浅层和深层血管，不受血管方向的影响，DUST 则显著提高了对脊髓中单个椎骨的分辨率。在对经历缺氧挑战的小鼠进行成像时，3D-DAT 能够快速捕捉到肝脏区域氧合血容量的变化，证明了其在快速功能成像方面的可行性。
- 小鼠肿瘤模型的功能和分子 3D-DAT 成像：研究人员利用 3D-DAT 对小鼠肿瘤模型进行了功能和分子成像研究。他们使用笼状金纳米星（cGNS）作为分子对比剂，通过 DPAT 跟踪 cGNS 在肿瘤小鼠体内的生物分布。实验结果显示，cGNS 在注射后迅速在血管中出现，随后在肝脏和肿瘤中逐渐积累。同时，通过多光谱 DPAT，研究人员还能够估计肿瘤的氧合水平，发现肿瘤区域的氧饱和度（sO?）明显低于周围血管。此外，研究人员还利用 3D-DAT 对表达光开关细菌光敏色素 BphP1 的肿瘤进行成像，通过多次光开关循环，成功分离出肿瘤中的 BphP1 信号，提高了检测灵敏度。
- 3D-DAT 对胚胎发育中 PFAS 暴露的研究：研究人员运用 3D-DAT 研究了全氟和多氟烷基物质（PFAS）暴露对小鼠胚胎发育的影响。通过对怀孕小鼠从 E8.5 到 E18.5 的纵向成像，DPAT 能够更好地分辨胚胎的小血管结构，量化胚胎血管（EV）和母体血管（MV）中的 sO?水平。研究发现，PFAS 暴露组的胚胎在所有孕周的 EV/MV 比值均显著高于对照组，这表明 PFAS 暴露可能对胚胎发育产生负面影响。组织学分析显示，虽然 PFAS 暴露组和对照组在胚胎重量、胎盘重量等方面没有显著差异，但 PFAS 暴露组胚胎大脑中的氧化应激标记物 8 - 羟基 - 2’ - 脱氧鸟苷（8OHdG）呈阳性，这与 DPAT 观察到的胚胎氧合功能变化相呼应。
研究结论与讨论
3D-DAT 技术的出现，为生物医学成像带来了新的突破。它利用单缝声学衍射和 FFL 图像重建方法，实现了基于现成线性换能器阵列的近各向同性分辨率成像，在多种动物模型中展现出了强大的解剖、功能和分子成像能力。与现有的 3D PA 和 US 成像系统相比，3D-DAT 具有诸多优势。它使用广泛可用的线性超声换能器阵列，大大提高了技术的可及性，降低了成本，解决了矩阵阵列换能器在元素尺寸、检测灵敏度和密集采样视野之间的技术难题。同时，3D-DAT 在不牺牲视野、成像速度、成像深度和检测灵敏度的前提下，将仰角空间分辨率提高了 2 - 3 倍。虽然 3D-DAT 在技术上也面临一些挑战，如单缝衍射会降低单扫描位置的 2D 图像质量、减少轴向声能传输以及需要更复杂的计算重建方法，但通过高效的 FFL 重建等技术手段，这些问题得到了有效解决。3D-DAT 的空间分辨率可通过调整线性阵列换能器的频率和狭缝宽度进一步优化，未来还可应用于其他 1D 换能器几何结构，并结合相干平面波复合或合成孔径成像等技术进一步提升性能。总之，3D-DAT 作为一种极具前景的成像方法，为研究各种生理现象和疾病状态提供了有力的工具，有望在生命科学和生物医学研究领域发挥重要作用，推动相关领域的快速发展。
