兼容MRI的经直肠超声及光声成像技术（应用于内腔检查）

《Photoacoustics》：In-bore MRI-compatible transrectal ultrasound and photoacoustic imaging

前列腺癌（PCa）的早期诊断和术中引导仍是医学影像领域的难点。本研究设计并开发了一款MRI兼容的PA/US三模态成像平台，通过整合磁共振成像（MRI）、光声成像（PA）和超声成像（US），解决了传统MRI特异性不足、超声缺乏靶向性及术中需反复切换设备的问题。平台采用非磁性材料构建，实现了MRI扫描与PA/US成像的同步进行，无需患者重新定位。实验通过phantom和in-vivo（小鼠尾静脉注射靶向PA对比剂Cy7.5）验证了系统的可行性，结果显示三模态成像在保持MRI全局视野的同时，PA的高特异性（区分含ICG和未含ICG的导管）和US的实时动态成像优势得以互补，且MRI兼容性通过电磁干扰、成像质量影响和设备运行稳定性三重标准验证。该技术为术中精准导航和实时分子诊断提供了新方案。

　　这项研究旨在开发一种能够与磁共振成像（MRI）兼容的多模态成像平台，该平台集成了分子靶向光声（PA）成像和超声（US）成像技术。通过将这些技术整合在一个设备中，研究团队希望提高前列腺癌（PCa）的诊断准确性和图像引导手术的实时性，同时克服现有成像技术在某些方面的局限性。当前的PCa诊断方法通常包括前列腺特异性抗原（PSA）测试、针刺活检和磁共振成像，但这些方法在某些情况下存在不足，例如MRI在检测恶性肿瘤时缺乏足够的特异性，而超声虽然能提供实时成像，却无法特异性识别肿瘤或病变。此外，PET/CT虽然可以提供肿瘤信息，但其电离辐射性质限制了其在手术中的应用。相比之下，分子靶向光声成像作为一种非电离成像技术，具备高灵敏度和特异性，同时能够提供实时图像，这使其成为PCa诊断的有潜力工具。然而，由于MRI环境的强磁场和射频脉冲，将PA和US成像技术整合到MRI系统中面临许多挑战，包括防止设备干扰MRI图像和确保设备在MRI环境中的安全性。

为了解决这些问题，研究团队设计了一种MRI兼容的PA/US探针，该探针配备了一个集成的光导纤维通道，用于传输激光。探针的外壳由非磁性材料（如ULTEM1010和黄铜）制成，以确保其在MRI环境中的安全性。同时，探针的驱动模块采用非磁性电子元件，以避免在MRI扫描过程中对设备造成干扰。该探针的旋转机构使用了超声马达，确保在MRI扫描期间能够精确控制探针的旋转角度。此外，探针还配备了一个光学编码器，用于监测旋转角度，并与MRI扫描仪同步工作。通过这种方式，探针可以在MRI扫描期间进行3D成像，无需患者重新定位，从而提高成像效率和准确性。

在实验中，研究团队使用了多种测试方法，包括使用带有光学散射体的线缆模型和包含造影剂的管状模型，以及在活体小鼠中进行的测试。这些测试旨在评估该设备在MRI环境中的兼容性、成像质量以及其在实际应用中的可行性。结果表明，该设备能够在MRI扫描过程中安全运行，且不会对MRI图像造成显著干扰。此外，该设备能够提供高分辨率的PA和US图像，并且在不同角度下均能保持良好的成像性能。在活体小鼠的测试中，研究团队还验证了该设备在体内环境中的成像能力，包括在注射造影剂后对特定区域的识别能力。这些结果表明，该设备能够有效实现多模态成像，同时保持MRI图像的完整性。

研究团队还开发了一种基于光谱分解的算法，用于增强PA成像的特异性。该算法能够将不同组织或造影剂的吸收特性进行区分，从而提高成像的准确性。在活体实验中，该算法成功地将Cy7.5造影剂的信号与血红蛋白等其他成分区分开来，显示出该设备在体内成像中的巨大潜力。此外，该设备还能够实现3D成像，通过旋转探针收集多个切片数据，并利用合成孔径聚焦（SAF）技术生成三维图像。这种3D成像能力对于手术中的实时引导具有重要意义，因为它能够提供更全面的图像信息，从而帮助医生更准确地定位病变区域。

尽管该设备在实验中表现良好，但研究团队也指出了其存在的局限性。例如，当前使用的耦合介质为水或透明超声凝胶，这些介质在某些情况下可能不如生物组织那样适合。因此，未来的工作需要探索更适用于生物组织的耦合介质，以提高PA成像的深度穿透能力。此外，目前的成像注册过程仍需手动完成，这在实际临床应用中可能会影响效率。因此，研究团队建议在未来的工作中开发自动化注册技术，以提高系统的实用性和效率。这些改进措施将有助于该设备在实际临床环境中的应用，并进一步提高其在PCa诊断和治疗中的价值。

总的来说，这项研究为开发一种新型的MRI兼容成像系统提供了重要的技术基础和理论支持。通过将PA、US和MRI三种成像技术整合在一个平台中，研究团队成功地克服了传统成像方法的局限性，为PCa的诊断和治疗带来了新的可能性。未来的研究将继续优化设备性能，特别是在深度成像和图像注册方面，以确保其在临床环境中的广泛适用性。此外，该研究也为其他医学成像领域提供了借鉴，展示了多模态成像在提高诊断准确性和手术效率方面的潜力。