基于声光共聚焦探针的光声-超声气管内镜技术用于慢性阻塞性肺疾病模型与仿体的特征分析

《Photoacoustics》：An acoustic-optic confocal probe based photoacoustic and ultrasonic tracheal endoscopy for characterizing phantom and model of chronic obstructive pulmonary disease

研究人员针对慢性阻塞性肺疾病（COPD）的气管病理特征检测难题，开发了一种直径2.1 mm的声光共聚焦探针，集成光声内镜（PAE）与超声内镜（EUS）双模态成像系统。该系统在仿体实验中实现11 μm高分辨率与12 mm成像深度，成功识别COPD模型气管微血管增生（直径增至97.2 μm）与黏膜下层增厚（达健康组2倍），为呼吸道疾病早期诊断提供了新型功能-形态学联合评估工具。

　　

慢性阻塞性肺疾病（COPD）作为全球第三大死因，其诊断仍面临重大挑战。传统支气管镜虽能观察气管表面形态，却难以捕捉深层微血管增生和黏膜重塑等关键病理特征；而现有光学技术受限于穿透深度，超声成像又缺乏组分分析能力。这种"看得浅"或"看不清"的困境，使得COPD早期诊断如同雾里看花。

广州医科大学附属第一医院广东省高级跨学科研究重点实验室与生物医学工程学院的研究团队独辟蹊径，将光声成像（通过激光激发超声信号检测组织吸光特性）与超声成像的优势融合，研制出全球首个专用于气管检测的声光共聚焦双模态内镜系统。这项发表于《Photoacoustics》的研究，通过直径仅2.1 mm的微型化探头，实现了"既见树木又见森林"的突破——不仅能像CT那样显示气管壁分层结构，还可像造影剂增强MRI般清晰呈现微血管网络。

研究团队采用三大关键技术：1）创新性设计中心开孔的30 MHz高频超声换能器，与45°全反射透镜构成共聚焦光路；2）开发旋转回撤式扫描机构，配合水囊耦合装置实现活体稳定成像；3）建立基于Otsu算法与Watershed分割的血管定量分析方法。通过3D打印仿体验证系统分辨率（7 μm碳纤维检测）后，采用木瓜蛋白酶雾化法构建COPD兔模型，对比健康与病变气管的差异。

3.1 系统性能验证

通过钨丝螺旋阵列测试确定6 mm最佳成像距离，高斯拟合显示系统横向分辨率达11 μm。多层气管仿体实验中，PAE可清晰识别模拟血管的毛发信号（图3），EUS则准确区分黏膜、软骨等结构，证实双模态互补优势。

3.3 COPD气管特征分析

病理切片显示COPD组气管黏膜血管扩张（直径峰值右移11.3 μm至97.2 μm）且分布离散（图6）。PAE定量揭示病变组血管密度达健康组1.7倍，尤其120-160 μm血管数量显著增加；EUS测得黏膜下层厚度倍增（P<0.0001），这与临床观察的炎症性增厚高度吻合。

3.7 活体成像突破

创新性水囊耦合装置克服呼吸运动干扰，首次实现活兔气管实时成像（图8）。尽管呼吸伪影影响EUS层析效果，PAE仍稳定捕捉到COPD组特有的血管丛生现象，为未来临床转化奠定基础。

这项研究开创了呼吸道疾病功能-结构一体化检测的新范式。其价值不仅在于证实PAE/EUS对COPD微血管异常的高敏感性，更在于提供可量化的诊断标志物——如血管直径>100 μm的占比、黏膜下层厚度阈值等。相比需要活检的传统手段，该技术能在5帧/秒的扫描速度下实现无创评估，对肺癌前病变监测、肺动脉高压病因分析等具有广阔前景。研究团队指出，下一步将通过提高激光重复频率（目前20 kHz）来抑制呼吸伪影，并开发多波长PAE以实现血红蛋白氧合度等功能参数测量，最终推动呼吸系统疾病的精准诊疗进入"显微时代"。