多光束照明技術強化光聲成像技術可無創(chuàng)捕捉小鼠心臟全器官動態(tài)
光聲超聲成像技術作為一種新興的生物醫(yī)學成像手段，近年來在心血管研究領域展現(xiàn)出重要潛力。本文所評述的論文《Toward noninvasive optoacoustic imaging of whole-heart dynamics in mice》提出了一種新型的容積光聲斷層成像（Volumetric Optoacoustic Tomography, VOT）系統(tǒng)，通過多光束照明與近紅外二區(qū)（NIR-II）光譜窗口的結合，實現(xiàn)了對小鼠心臟全器官動態(tài)過程的無創(chuàng)、高時空分辨率成像。該研究不僅優(yōu)化了光傳輸均勻性，還利用功能性納米顆粒增強對比度，為心臟功能的精準量化提供了新的技術路徑。
本研究成果由Sandeep Kumar Kalva、Cagla Ozsoy等研究人員共同完成，論文《Toward noninvasive optoacoustic imaging of whole-heart dynamics in mice》于2025年發(fā)表在光學期刊《Light: Science & Applications》。
重要發(fā)現(xiàn)
01多光束照明策略顯著提升成像性能
傳統(tǒng)光聲成像系統(tǒng)在胸腔區(qū)域常面臨光照不均勻的問題，導致穿透深度有限、視野范圍狹窄以及量化能力不足。本研究創(chuàng)新性地設計了六邊形分布的多光束照明方案，通過七個光纖束臂（Fiber Bundle Arms, FBA）實現(xiàn)對目標區(qū)域的均勻照明。系統(tǒng)包括球形陣列換能器、3D打印支架及七路光纖束臂。通過光線追跡模擬驗證，單光束照明僅能覆蓋部分視野，而七光束聯(lián)合照明則可有效覆蓋直徑8毫米的圓形區(qū)域，相當于小鼠心臟的典型尺寸。在組織仿體實驗中，多光束照明使可見微球數(shù)量從約210個提升至379個，成像深度從9.5毫米擴展至14.45毫米，顯著提升了系統(tǒng)的探測能力。
在活體實驗中，多光束照明方案成功實現(xiàn)了對小鼠心臟的全器官動態(tài)成像。展示的多光束照明結果清晰顯示了左心室（LV）、右心室（RV）、左心房（LA）、右心房（RA）等關鍵結構，甚至可識別心尖部位。相較于單光束成像，多光束不僅擴大了視野，還顯著提升了對比度噪聲比（CNR）。在心臟各區(qū)域，CNR值均有顯著提升，例如右心房從6.81提高至11.54，左心室從4.98提高至7.08。此外，多光束照明使深度達10毫米的腹主動脈（AA）可見，而單光束僅能探測7毫米以內的結構�；�4D動態(tài)數(shù)據，研究人員進一步量化了心臟功能參數(shù)，如左心室收縮末期容積（ESV）和舒張末期容積（EDV）。多光束照明所測得的ESV和EDV分別為20.6±2.1μL和48.1±3.6μL，而單光束結果分別為13.2±2.0μL和28.6±2.0μL，表明單光束會顯著低估心臟容積，影響功能評估的準確性。
03納米顆粒增強對比度并實現(xiàn)灌注動力學量化
為克服血液中血紅蛋白對光的強吸收問題，研究團隊引入聚乙二醇（PEG）包覆的硫化銅（CuS）納米顆粒作為外源性對比劑。該納米顆粒尺寸約為9.75±4.48納米，表面電位為-15.6±0.98毫伏，在NIR-II窗口內具有強吸收特性。細胞毒性實驗表明，在適當濃度下，納米顆粒對CHO細胞的存活率影響較小。通過靜脈注射PEG-CuS納米顆粒，心臟各腔室的對比度顯著增強，并成功量化了肺循環(huán)時間（PTT），即納米顆粒團從右心室出現(xiàn)到左心室的時間延遲，平均值為1.765±0.195秒。這一參數(shù)可作為心臟疾病評估的重要生物標志物。
創(chuàng)新與亮點
01突破心臟光學成像的穿透深度與視野限制
本研究最顯著的創(chuàng)新在于通過多光束照明方案解決了光聲成像在活體心臟應用中的核心瓶頸。傳統(tǒng)單光束照明由于光在生物組織中的散射和吸收，難以均勻覆蓋整個心臟體積，導致深層結構信號微弱甚至缺失。論文中設計的六邊形光路布局通過光線追跡仿真優(yōu)化，使光能分布更加均勻，有效擴大了成像視野并提升了信噪比。這一技術突破使得小鼠心臟的全器官三維動態(tài)成像成為可能，為心臟機制研究提供了前所未有的細節(jié)信息。
論文另一重要創(chuàng)新是將成像波長擴展至NIR-II光譜區(qū)間（1000–1400納米），并結合功能性納米顆粒實現(xiàn)對比增強。在NIR-II窗口，生物組織中的血紅蛋白吸收和光散射顯著降低，從而提升了光的穿透能力。PEG-CuS納米顆粒不僅具備強NIR-II吸收特性，還表現(xiàn)出良好的生物相容性和循環(huán)穩(wěn)定性，使其適合用于活體心臟灌注成像。這種“光學窗口+納米探針”的雙重策略不僅提高了圖像質量，還實現(xiàn)了對血流動力學的定量分析，如肺循環(huán)時間的精確測量。
03在光學生物醫(yī)療領域的實際價值
該技術為心血管疾病的 preclinical 研究提供了強大的工具。例如，在心肌梗死模型中，心臟收縮功能異常、心室重構等病理變化可通過高時空分辨率的VOT成像進行動態(tài)監(jiān)測。此外，該系統(tǒng)每秒200體積的成像速度足以捕捉小鼠心臟的快速機械波及瓣膜運動，為研究心律失常、心力衰竭等疾病機制提供了新的視角。從轉化醫(yī)學角度看，這種無創(chuàng)、無需心電圖門控的成像方式有望推動心臟藥理學研究和治療評估的高通量化、精準化發(fā)展。
總結與展望
本研究通過多光束照明設計、NIR-II光譜窗口利用以及納米對比劑增強，成功建立了一種高性能的小鼠全心臟光聲斷層成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了對心臟結構和動態(tài)過程的高分辨率、無創(chuàng)可視化。該技術不僅在成像深度、視野范圍和對比度方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法，還能提供心室容積、瓣膜運動及血流灌注等多類功能參數(shù)，為心血管研究提供了全面的成像支持。
展望未來，該技術仍面臨一些挑戰(zhàn)與機遇。在技術層面，如何將成像深度進一步拓展至大型動物乃至人類心臟，是臨床轉化的關鍵。這可能需要通過開發(fā)更低頻、更靈敏的超聲換能器陣列，結合更高能量的激光源與更先進的圖像重建算法來實現(xiàn)。在應用層面，長效安全的納米對比劑設計、多模態(tài)成像融合（如光聲與超聲協(xié)同）以及基于人工智能的動態(tài)分析模型將是重點發(fā)展方向�？傊�，隨著光學成像技術與生物醫(yī)學工程的持續(xù)深度融合，VOT有望成為心血管研究和臨床診斷中不可或缺的重要工具。
論文信息聲明：本文僅用作學術目的。
Kalva SK, Özsoy C, Nozdriukhin D, Tiemann S, Tang L, Deán-Ben XL, Razansky D. Toward noninvasive optoacoustic imaging of whole-heart dynamics in mice. Light Sci Appl. 2025 Nov 27;14(1):391.
DOI:10.1038/s41377-025-01992-x.
