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    光聲成像新突破:人腦功能層析成像

    2021-06-08 08:59 與非網

    導讀:早期的PACT系統受成像速度、靈敏度、視場范圍和穿透深度等因素限制,其在臨床腦成像領域的應用尚處空白。

    腦科學是21世紀最具挑戰性的重大科學問題,其意義在于促進人類理解認知、思維、意識和語言機理,幫助診斷和治療腦疾病,被視為未來新的經濟增長點和引領新科技革命的潛在引擎。

    開展腦科學研究離不開先進的腦功能成像與檢測技術,其中血氧水平依賴性功能磁共振成像(BOLD fMRI)被作為非侵入式腦功能成像的主流技術在科研和臨床上得到大量應用。然而,其造價高昂、占地龐大、缺乏分子特異性、對鐵磁性植入假體不兼容,以及需將受試者置于高噪音密閉空間等問題限制了其廣泛應用。

    近年來,光聲成像作為一種新型復合型成像技術,因其兼具光學成像的分子特異性以及超聲成像的深度和分辨率等特點,在血管造影、腫瘤診斷,以及動物神經成像等方面得到迅速發展。同時,光聲計算斷層成像(PACT)可通過測量脫氧血紅蛋白(HbR)和氧合血紅蛋白(HbO2)濃度來量化血氧飽和度,進而提供了一種安全高效、成本低廉的功能性成像方法。然而早期的PACT系統受成像速度、靈敏度、視場范圍和穿透深度等因素限制,其在臨床腦成像領域的應用尚處空白。

    2021年5月31日,來自加州理工學院(Caltech)的Lihong V. Wang(汪立宏)科研團隊與南加州大學(USC)的Charles Y. Liu 和 Danny J. Wang課題組合作在 Nature Biomedical Engineering 雜志上發表了文章 Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain。

    研究人員將光聲成像理論應用于人腦功能成像,設計了雙波長激光照射系統和超聲換能器陣列,研發出超低噪聲前端信號放大電路,集成了實時全通道信號采集系統,運用全景掃描策略,開發了分段非均勻聲學介質自適應重建算法,并設計了符合人體工程學的頭部穩定裝置,成功研發出人腦三維全景快速掃描光聲層析成像儀(1K3D-fPACT)。

    研究人員對數位半顱術后患者(接受了偏側顱骨切除術)進行了功能性腦成像,實現了在直徑10厘米視場內,對大腦皮層以下11毫米的血管造影,同時測量了HbR與HbO2濃度功能性變化,并應用于對運動、聽覺和語言等認知刺激任務下腦功能響應的觀測。成像空間分辨率和時間分辨率分別達到350微米和2秒,83%靈敏度對應的空間特異性為85%至93%,接收者操作特征曲線(ROC)下面積(AUC)為0.94。這些特征參數與相同受試者使用7T MRI成像得到的結果高度吻合,且光聲層析成像檢測到的功能響應延時比7T MRI成像短約2秒,因此可以更準確反映神經元活動特征,有望提高臨床腦功能檢測精度。

    1K3D-fPACT系統示意圖。

    (左) 側視圖;(右)剖面圖。

    在硬件設計上,該成像系統使用兩種波長的脈沖激光器(分別對應HbR與HbO2的主導吸收波段)用以實現寬場照明。超聲探測方面,該系統由4條1/4弧形超聲換能器陣列組成,每個陣列均勻分布了256個中心頻率為2.25 MHz的換能器,并一一對應地連接到前置放大器與數據采集卡上。該4條環形陣列可繞球心進行共軸旋轉掃描,從而形成半球狀探測表面。根據不同成像應用,該系統能以基準模式(用以實現350微米的各向同性空間分辨率)與功能模式(用以實現2秒的時間分辨率)進行掃描。

    在實驗設計上,為比較1K3D-fPACT與7T BOLD fMRI的成像質量,研究者對數位患者進行了腦部掃描。在基準模式下,1K3D-fPACT可以獲得清晰的三維血管造影,該結果經過圖像配準后與作為金標準的磁共振血管造影(MRA)成像具有高度的空間相似性,且能獲得更為豐富的血管細節。利用功能模式進行掃描,1K3D-fPACT系統可以0.5 Hz的幀率實現腦功能區域的功能成像。針對大腦皮層的運動區域,研究者設計了三種動作功能任務(分別為連續手指敲擊、嘴唇皺起以及舌敲擊)令被試者完成。在每種動作執行過程中,研究者分別用1K3D-fPAC和7T fMRI對被試者進行腦部成像,并記錄大腦皮層各區域在該過程中的信號強度變化?;谠摃r間序列,研究者通過統計學方法提取出大腦皮層上反應較為劇烈的區域,并與BOLD fMRI進行對比。對比結果顯示兩種成像方法探測到的大腦皮層響應區域具有高度相似性,從而證明了利用1K3D-fPACT進行腦部功能性成像的可行性。進一步,研究者設計了被動性聽覺任務以及無聲詞語生成任務,對被試者的語言功能中樞響應進行了成像,結果與BOLD fMRI仍具有高度相似性。

    人腦血管造影。(左) PACT血管造影;(右)MRI血管造影。

    紅色所示為大腦皮層血管,綠色所示為頭皮血管。

    人腦功能成像結果。

    綜上所述,該研究結合高密度的超聲探測、高質量的硬件架構以及高穩定性的算法設計,實現了對偏側顱骨切除術患者的高質量腦功能成像。這一研究成果為更廣泛和普適的臨床腦功能光聲成像奠定了堅實的基礎。

    本文的第一作者是加州理工學院的那帥博士,其余三位并列第一作者分別為來自USC的助理教授和腦血管外科主任Russin J. Johnathan,來自加州理工學院的林勵博士,以及現為清華大學博士后的袁肖赟博士。本文的通訊作者分別為來自USC的Charles Y. Liu 教授以及加州理工學院的汪立宏(Lihong V. Wang)教授。