青年编委专辑 | 四模态一体化成像，让心血管疾病无处遁形

导读：为充分展示青年编委的学术风采，《中国激光》于2023年第3期组织策划了“生物医学光子学-青年编委专辑”。本篇亮点文章来自华南师范大学杨思华研究员团队的特邀论文，提出并研发了一种血管内多模态一体化成像探头及系统，该系统有望为斑块易损性基础研究提供新手段，助力临床医生对动脉粥样硬化斑块的精准诊断。

原文链接：万余洋, 雷鹏, 熊科迪, 杨思华. 血管内光声-超声-光学相干层析-光声弹性多模态成像方法及系统[J]. 中国激光, 2023, 50(3): 0307107

背景介绍

近十年来，我国心血管疾病的发病率和死亡率不断上升，已成为我国居民死亡的头号杀手，急性心脑血管病事件导致的死亡主要是易损斑块破裂引起。易损斑块被定义为破裂风险升高的非阻塞性病变，其典型特征包括薄的纤维帽、富含脂质的坏死核心和严重狭窄。此外，斑块的脆弱性还会受到血管壁和斑块力学特性的影响。目前，临床上使用的血管内超声（IVUS）和血管内光学相干断层（IVOCT）成像虽然能够对斑块的形态、纤维帽厚度等进行成像，但是尚不能对斑块的成分及血管壁机械力学性质进行成像，因此，为了更精准地评估血管内斑块的易损情况需要多模态技术手段进行成像。

血管内光声成像（IVPA）是一种新兴的血管内成像技术，可以在几厘米的穿透深度下提供几十微米级别的分辨率，并且能够通过特定的吸收波长激发实现高灵敏度和特异性的斑块内组分成像。血管内光声弹性成像（IVPAE）方法结合IVPA技术在无额外激励的情况下对斑块进行弹性成像，进而对血管内斑块的弹性力学性质进行分析。因此，如何将IVPA和IVPAE与目前临床使用的IVUS及IVOCT技术进行结合，实现多参量精准评估斑块易损性是一个具有挑战性的问题。

多模态成像，实现“四合一”成像能力

华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室杨思华研究员团队针对上述难点，开发了一种复用光路和声路的血管内光声-超声-光学相干断层-光声弹性四模态一体化成像探头及成像系统。该系统通过单个微型探头（直径为0.97 mm）进行360°旋转和同步回撤进行一次成像即可获取血管内四种不同模态的影像学信息。

四模态一体化成像探头和系统如图1所示。在声路上，微型超声换能器用于光声信号的接收、超声信号激发和接收；在光路上，一根具有8°角端面的单模光纤用于传输光声激发光、OCT检测光以及接收OCT的背向散射光；直径为0.5 mm 的C-Lens用于光束的聚焦，并通过反射镜对光束进行偏折，使光焦点位于超声换能器正上方处。光路和声路均由探头外壳进行固定并与扭力线圈连接，便于探头进行360°旋转。采用该方案组装的成像探头仅有3.6 mm的刚性长度，提升了探头在迂曲血管中的可通过性。

图1 血管内光声-超声-光学相干断层-光声弹性成像系统原理图及一体化探头设计组装示意图

该系统的相关性能测试显示：光学相干断层、光声、超声模态的横向分辨率分别为20.5、61.3、122.2 μm，纵向分辨率分别为15.8、57.4、72.5 μm。利用猪动脉血管、支架和脂质组成的模拟样品进行成像测试，结果如图2所示。图中光声成像结果中的箭头所指位置为脂质存在的位置，在超声图像和光学相干断层图像中也能清晰地看到脂质分布；同时，有脂质分布位置与其他位置的光声弹性结果也具有明显差异，实验结果证明了该系统的多模态多参数成像能力。

图2 血管-支架-脂质组合模拟样品的IVPA-IVUS-IVOCT-IVPAE多模态成像结果

进一步对兔腹主动脉进行了在体成像，如图3所示，光学相干断层成像结果中可以高分辨地识别整个血管的形态学结构。得益于超声成像的大穿透深度，超声图像能够清晰地显示出整个血管的轮廓深度。从不同血管截面的四模态成像对照可以看出，光声成像能够观测到明显的脂质分布，随着脂质的积累，血管表面的弹性变小，光声弹性成像值降低。

总的来说，血管内四模态成像能够提供血管壁的宏观和微观结构信息，同时能够特异性识别脂质成分和反映脂质斑块的弹性力学信息。

图3 兔腹主动脉在体光声-超声-光学相干断层-光声弹性多模态成像结果

总结与展望

本团队设计的血管内四模态成像系统通过单一导管单次旋转回撤扫描成像即可获得多模态影像信息，并且这四种模态的信息相互补充，从结构、组分和力学特性等方面对血管内斑块进行全面评估。该系统有望为斑块易损性基础研究提供新手段，为血管内动脉粥样硬化斑块多模态信息监测提供更加全面的影像学信息，助力临床医生对动脉粥样硬化斑块的精准诊断。

课题组简介

华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室杨思华研究员团队主要研究领域涉及光声脑功能成像与调控、深层微血管增强现实与机器学习、偏振光声与生物基础交叉、高分辨光声超声生物显微、多模态功能内窥以及光声医学转化等。

通信作者简介

杨思华，华南师范大学研究员、博士生导师，现任激光生命科学教育部重点实验室主任、广东省新型超声成像设备工程技术研发中心主任、生物光子学研究院副院长、华南师范大学物理学部学术委员会副主委，第九届中国光学学会-常务理事，中国光学学会第二、三届生物医学光子学专委会副主委，中华医学会激光医学分会基础与计量安全防护学组副组长，广东省生物物理学会理事长、《激光生物学报》副主编、《Frontiers of Optoelectronics》编委、《中国激光》青年编委。承担国家科技部“863”专项、国家自然科学基金优青项目、重点项目（合作）、面上项目、广东省自然科学基金重点项目、广东省产学研项目、广州市产学研重大项目等；发表研究论文180多篇，H-index 33，引用超3400多次；主编英文专著《Biomedical Photoacoustics》；授权国家发明专利34项（第一发明人）。在光声成像技术方面曾获中国产学研合作创新奖(2021年)、广东省百名博士博士后创新人物(2021年)、教育部高等学校科学研究优秀成果奖二等奖(2013年)、美国医学物理学会“Sylvia Sorkin Greenfield Award”奖(2008年)、中国光学重要成果奖(2008年)、粤港澳大湾区高价值专利培育布局优秀奖(2022年)、FOE Editor’s Pick Best Paper Award(2022年)，指导研究生获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛国家金奖(2022年)、华南师范大学第二届研究生“四好”导学团队(2022年)。