导读

光声计算断层扫描（photoacoustic computed tomography, PACT）成像技术兼具光学成像的高对比度优势与超声成像的深穿透特性，在活体生物组织结构解析与功能代谢评估方面极具潜力。暨南大学研究团队提出了一种双频光纤阵列PACT成像技术，实现了厘米级深度的小鼠全脑高分辨率成像，可在全脑尺度上同步获取血管结构与血氧饱和度等生理信息，为脑功能研究与脑部疾病诊断提供了一种全新工具。

该研究成果近日发表于《Light: Science & Applications》，题为“Dual-frequency fiber-array photoacoustic computed tomography for high-resolution deep brain imaging”。论文通讯作者为关柏鸥教授、马军研究员与张奕副研究员，陈子韬、吴雨浛、许和湘为共同第一作者。

研究背景

大脑重量仅占全身2%，耗氧量却占全身20%。神经元工作依赖于持续供氧，即便在休息时也处于高耗氧状态，一旦缺氧几分钟，就会造成不可逆的损伤。以高时空分辨率观测全脑范围的血管形态与血氧饱和度变化，能够反映大脑的生理状态和病理变化，对于医学及脑科学研究具有重要意义。PACT成像技术作为一种光学与超声混合成像技术，兼具高对比度与深穿透能力，在全脑尺度的血管结构与血氧功能精细成像方面具有独特优势。然而，受限于压电超声传感器的工作带宽和聚焦能力，传统PACT系统难以满足深层全脑的高分辨率成像需求。

近年来，研究者们在压电框架下通过优化换能器材料与结构来提升PACT成像性能，但效果有限。根本原因如下：其一，压电传感器的灵敏度依赖于接收面积，为获得足够灵敏度需增大元件尺寸，导致接收角度减小，从而降低成像分辨率；其二，压电传感器带宽较窄，无法同时接收深层组织低频信号与精细结构高频信号，导致成像深度与空间分辨率不可兼得；其三，压电传感器聚焦能力有限，受限于压电材料加工工艺限制，数值孔径有限且焦距难以灵活调节，无法灵活适配不同成像场景。

创新研究

光纤超声传感器能够克服压电传感器上述瓶颈。针对上述挑战，研究团队提出了一种聚焦型双频光纤超声传感器技术：（1）利用聚合物涂层与石英纤芯的杨氏模量差异，将光纤固有高频横向谐振模式（20–30 MHz）的能量部分转移到低频范围（2–3 MHz），实现了中心频率跨越数个倍频的双频超声检测。这一设计无需使用多个不同频率的换能器，便可同时捕获双频光声信号，低频信号获取深层组织结构，高频信号获取精细血管结构，使其具备了在全脑尺度上同时实现深穿透、高分辨率与高精度功能成像的能力；（2）利用光纤柔性特点，将光纤弯曲成弧形，无需任何额外声学透镜即可形成片状超声聚焦，在4 cm工作距离下实现了5.2 Pa的超低压力检测限，显著提升了深层弱信号捕获能力，且片状聚焦的层厚仅为～400 μm，能够有效抑制面外信号干扰，提高了层析能力。

图1：基于双频光纤超声换能器阵列的多光谱PACT系统示意图。光纤换能器机械弯曲以在几何中心平面形成片状超声聚焦。光纤换能器保留部分光纤的聚合物涂层，以实现双频带超声检测。TR：扭转-径向模式。多光谱PACT成像采用光学参量振荡激光器输出三个波长脉冲光，用于获取组织血氧饱和度信息。

研究团队利用该传感器对小鼠大脑进行了连续冠状截面断层扫描，沿前后轴方向采集五幅不同位置的冠状截面光声图像，其融合图像不仅清晰呈现了大脑皮层精细的微血管分支，还完整显示了海马、丘脑等深部脑区的血管结构。

图2：小鼠大脑高分辨光声图像。（Cc: 大脑皮层；Hip: 海马体）

在此基础上，结合双波长光激发与光谱线性解混，实现了小鼠全脑血氧饱和度的实时定量测量。在氧浓度挑战实验中，成功监测到小鼠大脑在缺氧、常氧与高氧状态下的血氧动态变化，证明了该系统在不同深度下的功能成像可靠性。

图3：氧挑战下的小鼠大脑血氧动力学监测。

研究团队进一步将该技术应用于原位胶质母细胞瘤小鼠模型的成像。结果显示，系统能够清晰分辨肿瘤内部紊乱的新生血管网络，并精准显示出肿瘤区域的异常高氧合状态。成像结果与T2加权MRI图像高度吻合，肿瘤边界清晰可见。与传统成像技术相比，该系统能够同时提供肿瘤的解剖结构与功能代谢信息，为肿瘤的早期筛查与疗效评估提供了更全面的依据。

图4：小鼠原位胶质母细胞瘤中肿瘤生长及血氧饱和度多光谱成像。

总结与展望

本研究提出的双频光纤阵列PACT成像技术，突破了传统压电换能器的固有瓶颈，为全脑尺度的血管结构解析与血氧代谢评估提供了新的技术路径。未来，研究团队将进一步优化该技术，通过增加光纤换能器阵列的阵元数量以消除机械扫描过程，将成像速度提升至实时水平，从而推动其在脑功能研究与脑疾病临床诊断中的转化应用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02324-3