新突破：用于直腸癌成像的便攜式光聲顯微鏡和超聲系統(tǒng)

現(xiàn)代直腸癌管理正迅速發(fā)展，“觀察等待”治療策略的出現(xiàn)為部分直腸癌患者減少了不必要的手術(shù)切除。但目前高分辨率磁共振成像（MRI）和白光內(nèi)窺鏡等標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理測(cè)試的分辨率有限，難以準(zhǔn)確區(qū)分活動(dòng)性腫瘤與治療后水腫和纖維化，因此迫切需要能夠提供準(zhǔn)確可靠評(píng)估的成像設(shè)備。

光聲（PA）成像作為一種新興的成像模態(tài)，結(jié)合了光學(xué)對(duì)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(xué)分辨率光聲顯微鏡（ARPAM）利用聲學(xué)聚焦檢測(cè)局部PA信號(hào)，分辨率可達(dá)100μm，穿透深度約為1-2cm。

來自華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的Sitai Kou團(tuán)隊(duì)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(tǒng)，在癌癥檢測(cè)和診斷中展現(xiàn)出巨大潛力。

系統(tǒng)與方法
系統(tǒng)和控制同步
該系統(tǒng)包括二極管泵浦的ND：YAG激光、耦合光學(xué)器件、超聲脈沖器、數(shù)據(jù)采集PC以及函數(shù)發(fā)生器等，用于實(shí)現(xiàn)US脈沖回波成像和PA成像。系統(tǒng)通過函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)，使激光、超聲脈沖器和數(shù)據(jù)采集PC同步工作，以獲得共注冊(cè)的US和PA圖像。

成像探頭
探頭由電機(jī)、放大器、手柄、成像頭和頸部組成，其中采用了兩級(jí)放大器來提高系統(tǒng)的信噪比。電機(jī)通過扭矩耦合器驅(qū)動(dòng)成像頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)采用了特殊的設(shè)計(jì)來降低電機(jī)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(dǎo)光，并且在探頭前部連接了聲學(xué)耦合氣球，以確保成像頭在氣球內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。

光學(xué)耦合設(shè)計(jì)
光學(xué)耦合對(duì)于保證系統(tǒng)在臨床空間內(nèi)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。該系統(tǒng)通過使用激光線基本鏡、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、薄光學(xué)窗口和光束陷阱等組件，來調(diào)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(cè)量得到的激光RMS脈沖間變化為2.1%，探頭和光學(xué)耦合籠系統(tǒng)的耦合效率分別為80%和49%。

光功率模擬和測(cè)量
系統(tǒng)使用Zemax OpticStudio軟件對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)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(zhǔn)確計(jì)算光功率在系統(tǒng)中的傳輸和耦合效率。在測(cè)量過程中，使用專門的激光功率和能量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的光功率輸出，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。

超聲模擬和表征
根據(jù)US XDC的尺寸、中心頻率和焦點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行超聲傳輸場(chǎng)的模擬。采用K-wave超聲模擬軟件，通過軸對(duì)稱模擬來高效地展示2D聲學(xué)傳輸場(chǎng)。通過平移直徑7μm的碳纖維，并測(cè)量PA和US波形，來評(píng)估系統(tǒng)的分辨率、temporal和頻率響應(yīng)以及SNR。

系統(tǒng)編程和控制
系統(tǒng)采用LabVIEW編寫的生產(chǎn)者和消費(fèi)者循環(huán)架構(gòu)，有效地解耦了數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)生成過程，提高了數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定性。系統(tǒng)能夠以約0.9Hz的速率進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(fù)頻率限制的理論1Hz幀率。

對(duì)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(duì)比劑，以提供聲學(xué)和光聲對(duì)比。將對(duì)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(jìn)行掃描，以研究系統(tǒng)的圖像質(zhì)量和穩(wěn)定性。通過對(duì)不同頻率段的信號(hào)進(jìn)行分析，確定了最佳的PA和US頻率帶，以優(yōu)化圖像的SNR和斑點(diǎn)大小。

信號(hào)處理管道
基于典型超聲信號(hào)處理程序開發(fā)，對(duì)DAQ的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換、FIR濾波、希爾伯特變換基信號(hào)包絡(luò)檢測(cè)、對(duì)數(shù)壓縮和動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整，使用自定義US和PA查找表繪制圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換以形成徑向顯示，所有信號(hào)分析基于FIR濾波后的數(shù)據(jù)（除非特別說明），最終圖像進(jìn)行共注冊(cè)和掃描轉(zhuǎn)換為徑向圖像顯示。

離體標(biāo)本和體內(nèi)患者成像
離體成像：對(duì)19名手術(shù)患者的結(jié)直腸標(biāo)本進(jìn)行成像，通過分析預(yù)處理數(shù)據(jù)的RMS值，研究噪聲穩(wěn)定性和不同組織類型之間的信號(hào)差異。

體內(nèi)成像：在標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理手術(shù)前，對(duì)患者進(jìn)行麻醉后將探頭插入直腸，打開激光進(jìn)行成像，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)圖像顯示調(diào)整探頭位置，并連續(xù)記錄和保存數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)表征
模擬的超聲傳輸場(chǎng)與典型聚焦單元素XDC一致，玻璃桿對(duì)超聲傳輸和接收?qǐng)龅挠绊憳O小。通過光學(xué)模擬和測(cè)量，確定了透鏡的最佳位置，成像頭、探頭和光學(xué)耦合籠系統(tǒng)的耦合效率分別為83%、80%和49%。

碳纖維體模成像
PA強(qiáng)度在近場(chǎng)和焦點(diǎn)區(qū)域較強(qiáng)，在遠(yuǎn)場(chǎng)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(hào)頻譜和US信號(hào)中心頻率及帶寬符合預(yù)期。PA信號(hào)在近場(chǎng)和焦點(diǎn)場(chǎng)的SNR為50-53dB，在遠(yuǎn)場(chǎng)因光散射迅速下降；US信號(hào)在近場(chǎng)SNR低，在焦點(diǎn)處的SNR為28-30dB，在遠(yuǎn)場(chǎng)下降。

明膠體模成像
US ROI強(qiáng)度穩(wěn)定，PA ROI強(qiáng)度有波動(dòng)，體模在成像序列中穩(wěn)定；確定了優(yōu)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(qū)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(nèi)成像
體內(nèi)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(jié)構(gòu)被腫瘤嚴(yán)重破壞，腫瘤床血灌注減少；手術(shù)病理證實(shí)了腫瘤的存在。

結(jié)論與展望
系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，包括增強(qiáng)機(jī)械安裝和包裝、使用光學(xué)模擬結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)增強(qiáng)光學(xué)穩(wěn)定性和可靠性、添加探頭放大器和濾波減少噪聲、設(shè)計(jì)一致可靠的數(shù)據(jù)處理管道、編程新的觸發(fā)方案和控制軟件增強(qiáng)可靠性、提高幀率和最大化數(shù)據(jù)吞吐量，并開發(fā)定制對(duì)比劑和成像體模以表征系統(tǒng)和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理。

當(dāng)前系統(tǒng)使用手持式探頭，正在開發(fā)自動(dòng)化3-D成像掃描系統(tǒng)以提供更全面的直腸形態(tài)和血管結(jié)構(gòu)視圖，增強(qiáng)診斷能力；系統(tǒng)的局限性是缺少多個(gè)波長(zhǎng)來計(jì)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(diào)諧激光來解決，但這可能會(huì)增加成本和空間或降低實(shí)時(shí)成像的脈沖重復(fù)率。

系統(tǒng)通過19次離體成像實(shí)驗(yàn)展示了其魯棒性和穩(wěn)定性，在癌癥區(qū)域檢測(cè)到可分辨信號(hào)，正常和pCR病例的PA信號(hào)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(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果。該系統(tǒng)有望用于評(píng)估直腸癌患者放療和化療后的腫瘤床局部形態(tài)和功能變化，以及在治療后監(jiān)測(cè)中預(yù)測(cè)直腸癌的再生，為直腸癌患者提供更優(yōu)的手術(shù)管理方案。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)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.