光聲矢量層析成像（PAVT）為深部血流動力學研究開辟新途徑
光聲矢量層析成像（Photoacoustic Vector Tomography, PAVT）是由加州理工學院Yang Zhang、Joshua Olick-Gibson、Anjul Khadria及Lihong V. Wang團隊開發的一項革命性生物醫學成像技術。該研究突破傳統光學成像的深度限制，首次實現對深層血管（>5 mm）血流速度與方向的無創矢量測繪，相關成果以《Photoacoustic vector tomography for deep haemodynamic imaging》為題，發表在《Nature Biomedical Engineering》。
重要發現
01技術原理：光聲效應與血液異質性的協同作用
PAVT的核心突破在于利用血液紅細胞（RBCs）的空間非均勻分布增強血管腔內信號。傳統光聲成像（PAT）因血管腔內均勻吸收導致的“邊界累積效應”無法探測深層血流。
研究團隊通過仿真與實驗證明：當血液存在局部高/低密度區域時，腔內光聲信號強度顯著提升（相對可見性指數γ從0升至>0.1）。這一現象使腔內血流動態可視化成為可能。
02實驗驗證：從仿體到人體團隊設計分叉流仿體驗證技術準確性：兩入口通道（C1, C2）匯入出口通道（C3）。通過壓力擾動誘導血液異質性后，腔內信號可見性指數γ從0.003升至0.128，血流速度測量誤差從97%降至2.5%。
在人體實驗中，PAVT成功測繪手腕靜脈、掌區血管及前臂深靜脈（深度3.5–5.5 mm），流速范圍覆蓋0.04–100 mm/s，遠超多普勒超聲低速檢測極限（0.04 mm/s誤差僅4.3%）。
03血流動力學精細表征PAVT首次實現靜脈瓣膜區流場成像。在腕管靜脈中，瓣膜狹窄區域流速顯著高于上下游，并捕捉到瓣膜竇袋內的血流匯聚模式。
此外，通過血壓袖帶阻塞實驗，團隊量化了血流功能性響應：袖帶加壓時流速下降70%，釋放后瞬態增速達350%，證實PAVT在監測血管疾病動態變化的潛力。
創新與亮點
01突破光學擴散極限的深層成像
PAVT解決了生物醫學光學領域的核心難題——超越光學擴散極限（>1 mm）的深部血流矢量測繪。傳統光學技術（如OR-PAM）受限于光聚焦能力，而聲分辨率PAT（AR-PAM/PACT）因分辨率不足無法追蹤單個紅細胞。PAVT通過寬場單激發序列與異質性增強信號的結合，將探測深度提升至光學極限的5倍（>5 mm），首次實現人體深層靜脈血流方向與速度同步量化。
技術具備三大臨床優勢：
波長普適性：在805 nm（氧合/脫氧血紅蛋白等吸收點）、750 nm、900 nm波長下均可測量血流，兼容光譜成像以同步繪制血氧飽和度（sO₂）與血流圖；
角度無關性：流速測量不受血管角度影響，克服多普勒超聲的視角局限；
實時功能性監測：支持20–100 Hz幀率切換，通過調整脈沖重復頻率（PRF）平衡深度與信噪比（如20 Hz PRF適用5.5 mm深血管）。
03血流機制新認知研究推翻“光聲血流檢測依賴血氧飽和度異質性”的假說：在805 nm等吸收點仍能測量流場，證實紅細胞空間分布非均勻性是信號可檢性的核心。這一發現為深部血流成像機制提供了新理論支撐。
總結與展望
PAVT標志著深層血流動力學成像的技術躍遷。其融合光聲分子對比度與超聲深穿透的優勢，不僅為慢性靜脈功能不全、靜脈曲張等外周血管疾病提供全新診斷工具，更在腦功能成像、乳腺癌早期檢測（通過代謝耗氧率MRO₂量化）及腫瘤血管生成監測領域展現潛力。
未來需突破動脈血流檢測瓶頸（當前僅限靜脈），并探索低頻探頭以實現厘米級深部成像（如頸動脈/頸靜脈同步監測）。隨著環形陣列等先進聲學設計引入，PAVT有望成為血管疾病診斷與循環系統功能繪制的通用平臺，推動精準醫療從解剖走向功能與代謝的多維時代。
論文信息聲明：本文僅用作學術目的。
Zhang Y, Olick-Gibson J, Khadria A, Wang LV. Photoacoustic vector tomography for deep haemodynamic imaging. Nat Biomed Eng. 2024 Jun;8(6):701-711.
DOI:10.1038/s41551-023-01148-5.
