伦敦大学学院手持式 3D 光声扫描仪捕捉到的疾病。图片来源：Nam Huynh 博士

伦敦大学学院的研究人员开发了一种手持式扫描仪，可以快速创建详细的 3D 光声图像，可能会彻底改变早期疾病的诊断。

这项新技术可以实时、高质量地显示血管，这对于检测癌症和心血管疾病等疾病至关重要。它能够快速捕捉图像，减少运动模糊，非常适合检查虚弱的患者，并可能加快诊断过程。

伦敦大学学院的科学家开发的一种新型手持扫描仪可以在几秒钟内生成高度详细的 3D 光声图像，为其首次在临床环境中的使用铺平了道路，并为更早的疾病诊断提供了潜力。

9 月 30 日发表于《自然生物医学工程》杂志上的研究中，研究团队展示了他们的技术可以实时向医生提供光声断层扫描 (PAT) 成像扫描，为他们提供准确而复杂的血管图像，帮助指导患者护理。

光声断层扫描成像利用激光产生的超声波来可视化人体组织中深度达 15 毫米、小于毫米级的静脉和动脉中的细微变化（疾病的早期标志）。

然而，到目前为止，现有的 PAT 技术速度太慢，无法生成供临床医生使用的足够高质量的 3D 图像。

在 PAT 扫描过程中，患者必须完全静止，这意味着在较慢的扫描过程中任何移动都可能导致图像模糊，因此无法保证具有临床用途的图像。

旧式 PAT 扫描仪需要五分钟以上的时间才能拍摄一张图像，而通过将时间缩短至几秒钟或更短，图像质量得到极大改善，更加适合体质虚弱或身体不适的人。

研究人员表示，经过进一步测试，新扫描仪可在三到五年内 帮助诊断癌症、心血管疾病和关节炎

通讯作者保罗·比尔德 (Paul Beard) 教授（伦敦大学学院医学物理和生物医学工程系及 Wellcome/EPSRC 介入和外科科学中心）表示：“近年来，我们在光声成像方面取得了长足的进步，但在临床上使用仍然存在障碍。”

“这项研究的突破在于加快了获取图像的时间，比以前的扫描仪快 100 到 1,000 倍。”

“这种速度可以避免因运动引起的模糊，提供其他扫描仪无法提供的高质量、高细节的图像。这也意味着，无需花费五分钟或更长时间，就可以实时获取图像，从而可以可视化动态生理事件。”

“这些技术进步使该系统首次适合临床使用，让我们能够观察以前无法观察的人体生物学和疾病的各个方面。”

“现在需要对更大规模的患者进行更多研究来证实我们的发现。”

Beard 教授补充说，新扫描仪的一个关键潜在用途是评估炎性关节炎，这需要扫描双手的所有 20 个手指关节。使用新扫描仪，这可以在几分钟内完成 - 旧式 PAT 扫描仪需要近一个小时，对于年老体弱的患者来说太长了。

在研究中，研究团队对 10 名患有 2 型糖尿病、类风湿性关节炎或乳腺癌的患者以及 7 名健康志愿者进行了临床前测试。

在三名患有 2 型糖尿病的患者中，扫描仪能够生成足部微血管的详细 3D 图像，突出血管的畸形和结构变化。扫描仪用于可视化与乳腺癌相关的皮肤炎症。

“糖尿病患者经常遭受的并发症之一是四肢血流量低，例如脚和小腿，这是由于这些部位的微小血管受损造成的。但到目前为止，我们还无法确切了解造成这种损害的原因，也无法描述其发展过程。”伦敦大学学院医学成像副教授、伦敦大学学院医院放射科顾问、这项研究的资深作者安德鲁·普拉姆 (Andrew Plumb) 表示：“在我们的一位患者中，我们可以看到左脚的血管光滑均匀，而右脚同一区域则出现变形弯曲的血管，这表明未来可能会导致组织损伤。光声成像可以为我们提供更详细的信息，以促进早期诊断，并更全面地了解疾病进展。”

自 2000 年早期开发以来，PAT 一直被誉为具有彻底改变我们对生物过程的理解并改善癌症和其他主要疾病的临床评估的潜力。

它的工作原理是利用光声效应，当材料吸收光并产生声波时就会发生这种效应。

PAT 扫描仪的工作原理是向生物组织发射非常短的激光束。根据目标的颜色，部分能量会被吸收，导致热量和压力略有增加，进而产生包含组织信息的微弱超声波。整个过程只需几分之一秒即可完成。

在早期的研究中，伦敦大学学院的物理学家和工程师（由比尔德教授领导）发现，超声波可以通过光来探测。

在 21 世纪初，他们率先开发了一种系统，其中声波会引起薄塑料薄膜厚度的微小变化，并且可以使用高度调谐的激光束进行测量。

研究结果揭示了以前从未见过的组织结构。

对于某些疾病，例如糖尿病并发症外周血管疾病 (PVD)，使用 MRI 扫描等传统成像技术无法看到表明该疾病的微小血管变化的早期迹象。

但论文称，使用 PAT 图像可以做到这一点——在组织受损之前提供治疗的可能性，并避免伤口愈合不良和截肢。论文补充说，PVD 影响了美国和欧洲超过 2500 万人。

同样地，对于癌症来说，肿瘤通常具有高密度的小血管，这些血管太小而无法用其他成像技术看到。

伦敦大学学院医学物理与生物医学工程系的 Nam Huynh 博士与同事 Edward Zhang 博士共同开发了该扫描仪，他表示：“光声成像可用于相对轻松地检测和监测肿瘤。它还可用于帮助癌症外科医生通过可视化肿瘤中的血管更好地区分肿瘤组织和正常组织，帮助确保在手术过程中切除所有肿瘤并最大限度地降低复发风险。我可以想象它会有很多用处。”

Huynh 博士补充说，该技术的一个关键优势是它对血红蛋白很敏感。正是像血红蛋白这样的吸光分子产生了超声波。

在这项研究中，伦敦大学学院的研究人员试图通过减少获取图像所需的时间来克服速度问题。他们通过对扫描仪设计和用于生成图像的数学方法进行创新实现了这一目标。

与早期的 PAT 扫描仪不同，新型扫描仪可以同时在多个点检测超声波，而早期的 PAT 扫描仪每次只能测量组织表面 10,000 多个不同点的超声波，从而大大缩短了图像采集时间。

研究团队还采用了与数字图像压缩类似的数学原理。这使得从几千次（而不是几万次）超声波测量中重建高质量图像成为可能，从而再次加快了图像采集速度。这些创新将成像时间缩短到几秒或不到一秒，消除了运动模糊，并允许拍摄组织动态变化的图像。

科学家表示，需要对更大规模的患者进行更多研究，以证实他们的研究结果以及该扫描仪在临床实践中的实用程度。

用于医学成像的光声断层扫描技术的首次开发是在 2000 年，但该技术的起源可以追溯到 1880 年，当时刚刚发明电话的伦敦大学学院学生亚历山大·格雷厄姆·贝尔 (Alexander Graham Bell) 观察到了阳光转化为可听见的声音。

2019 年，伦敦大学学院研究团队成员成立了 DeepColor Imaging，这是一家伦敦大学学院的衍生公司，目前在全球范围内销售一系列基于 PAT 技术的扫描仪。

参考文献：“用于临床血管成像的快速全光学 3D 光声扫描仪” 2024 年 9 月 30 日，《自然生物医学工程》。DOI：10.1038/s41551-024-01247-x

这项研究得到了英国癌症研究中心、工程与物理科学研究委员会、威康基金会、欧洲研究委员会和伦敦大学学院医院生物医学研究中心的国家健康研究所的支持。

来源：伦敦大学学院

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