便攜式光聲顯微鏡和超聲系統在直腸癌成像中的應用

現代直腸癌管理正迅速發展，“觀察等待”治療策略的出現為部分直腸癌患者減少了不必要的手術切除。但目前高分辨率磁共振成像（MRI）和白光內窺鏡等標準護理測試的分辨率有限，難以準確區分活動性腫瘤與治療后水腫和纖維化，因此迫切需要能夠提供準確可靠評估的成像設備。

光聲（PA）成像作為一種新興的成像模態，結合了光學對比和超聲分辨率，具有深度穿透能力，可提供組織血管功能信息。聲學分辨率光聲顯微鏡（ARPAM）利用聲學聚焦檢測局部PA信號，分辨率可達100μm，穿透深度約為1-2cm。

來自華盛頓大學圣路易斯分校的Sitai Kou團隊介紹了一種用于直腸癌成像的便攜式光聲顯微鏡和超聲（ARPAM/US）系統，在癌癥檢測和診斷中展現出巨大潛力。

系統與方法
系統和控制同步
該系統包括二極管泵浦的ND：YAG激光、耦合光學器件、超聲脈沖器、數據采集PC以及函數發生器等，用于實現US脈沖回波成像和PA成像。系統通過函數發生器產生的觸發信號，使激光、超聲脈沖器和數據采集PC同步工作，以獲得共注冊的US和PA圖像。

成像探頭
探頭由電機、放大器、手柄、成像頭和頸部組成，其中采用了兩級放大器來提高系統的信噪比。電機通過扭矩耦合器驅動成像頭旋轉，同時采用了特殊的設計來降低電機的噪聲和防止水短路。成像頭容納了US XDC和棱鏡籠，通過光纖和玻璃桿來引導光，并且在探頭前部連接了聲學耦合氣球，以確保成像頭在氣球內自由旋轉。

光學耦合設計
光學耦合對于保證系統在臨床空間內的穩定性至關重要。該系統通過使用激光線基本鏡、望遠鏡系統、薄光學窗口和光束陷阱等組件，來調整激光束方向、減小激光直徑、降低光功率并確保激光安全。最終測量得到的激光RMS脈沖間變化為2.1%，探頭和光學耦合籠系統的耦合效率分別為80%和49%。

光功率模擬和測量
系統使用Zemax OpticStudio軟件對成像系統進行模擬。在模擬中，考慮了激光入口直徑、透鏡位置、光纖特性等因素，以準確計算光功率在系統中的傳輸和耦合效率。在測量過程中，使用專門的激光功率和能量計測量系統在實際運行中的光功率輸出，并與模擬結果進行對比，以驗證系統的性能。

超聲模擬和表征
根據US XDC的尺寸、中心頻率和焦點等參數進行超聲傳輸場的模擬。采用K-wave超聲模擬軟件，通過軸對稱模擬來高效地展示2D聲學傳輸場。通過平移直徑7μm的碳纖維，并測量PA和US波形，來評估系統的分辨率、temporal和頻率響應以及SNR。

系統編程和控制
系統采用LabVIEW編寫的生產者和消費者循環架構，有效地解耦了數據保存和數據生成過程，提高了數據流的穩定性。系統能夠以約0.9Hz的速率進行實時數據采集、處理、顯示和保存，顯示延遲為1-2幀，接近激光脈沖重復頻率限制的理論1Hz幀率。

對比劑和明膠體模制作與成像
將玻璃微球（直徑100μm）與疏水染料混合并超聲處理，制備出用于明膠體模的對比劑，以提供聲學和光聲對比。將對比劑、豬明膠和防腐劑溶解在水中，加熱冷卻后倒入模具，制成管狀體模。

將體模浸沒在水中，使用ARPAM/US成像探頭進行掃描，以研究系統的圖像質量和穩定性。通過對不同頻率段的信號進行分析，確定了最佳的PA和US頻率帶，以優化圖像的SNR和斑點大小。

信號處理管道
基于典型超聲信號處理程序開發，對DAQ的原始數據進行電壓轉換、FIR濾波、希爾伯特變換基信號包絡檢測、對數壓縮和動態范圍調整，使用自定義US和PA查找表繪制圖像數據并進行掃描轉換以形成徑向顯示，所有信號分析基于FIR濾波后的數據（除非特別說明），最終圖像進行共注冊和掃描轉換為徑向圖像顯示。

離體標本和體內患者成像
離體成像：對19名手術患者的結直腸標本進行成像，通過分析預處理數據的RMS值，研究噪聲穩定性和不同組織類型之間的信號差異。

體內成像：在標準護理手術前，對患者進行麻醉后將探頭插入直腸，打開激光進行成像，同時根據實時圖像顯示調整探頭位置，并連續記錄和保存數據。

實驗結果
系統表征
模擬的超聲傳輸場與典型聚焦單元素XDC一致，玻璃桿對超聲傳輸和接收場的影響極小。通過光學模擬和測量，確定了透鏡的最佳位置，成像頭、探頭和光學耦合籠系統的耦合效率分別為83%、80%和49%。

碳纖維體模成像
PA強度在近場和焦點區域較強，在遠場因光散射顯著下降；PA成像的軸向分辨率為72μm，橫向分辨率為116μm；US成像的軸向分辨率為35μm，橫向分辨率為122μm。PA信號頻譜和US信號中心頻率及帶寬符合預期。PA信號在近場和焦點場的SNR為50-53dB，在遠場因光散射迅速下降；US信號在近場SNR低，在焦點處的SNR為28-30dB，在遠場下降。

明膠體模成像
US ROI強度穩定，PA ROI強度有波動，體模在成像序列中穩定；確定了優化的PA頻率帶為3-30MHz，US頻率帶為9-22MHz。

離體成像
PA噪聲高于US噪聲，正常組織灌注均勻，癌癥組織灌注減少pCR病例灌注正常；US圖像中各組織區域差異顯著，PA圖像中噪聲、癌癥和正常組織之間差異顯著，癌癥和pCR組織之間差異顯著，pCR組織與正常組織差異不顯著。

體內成像
體內和離體成像顯示正常組織血管模式均勻，腫瘤組織層破壞，血管結構被腫瘤嚴重破壞，腫瘤床血灌注減少；手術病理證實了腫瘤的存在。

結論與展望
系統進行了多項改進，包括增強機械安裝和包裝、使用光學模擬結合計算機輔助設計增強光學穩定性和可靠性、添加探頭放大器和濾波減少噪聲、設計一致可靠的數據處理管道、編程新的觸發方案和控制軟件增強可靠性、提高幀率和最大化數據吞吐量，并開發定制對比劑和成像體模以表征系統和優化數據處理。

當前系統使用手持式探頭，正在開發自動化3-D成像掃描系統以提供更全面的直腸形態和血管結構視圖，增強診斷能力；系統的局限性是缺少多個波長來計算血氧飽和度和血紅蛋白濃度，目前正在嘗試通過添加激光或切換到較慢的OPO可調諧激光來解決，但這可能會增加成本和空間或降低實時成像的脈沖重復率。

系統通過19次離體成像實驗展示了其魯棒性和穩定性，在癌癥區域檢測到可分辨信號，正常和pCR病例的PA信號相似，在患者研究中觀察到正常和癌組織的明顯差異，更多患者正在被招募以進一步驗證結果。該系統有望用于評估直腸癌患者放療和化療后的腫瘤床局部形態和功能變化，以及在治療后監測中預測直腸癌的再生，為直腸癌患者提供更優的手術管理方案。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于:Sitai Kou,Sanskar Thakur, Ahmed Eltahir,Haolin Nie,Yitian Zhang,Andrew Song,Steven R. Hunt,Matthew G. Mutch,William C.Chapman,Quing Zhu,A portable photoacoustic microscopy and ultrasound system for rectal cancer imaging,Photoacoustics,Volume 39,2024,100640,ISSN 2213-5979,https://doi.org/10.1016/j.pacs.2024.100640.