数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 4PAM技术的生物医学应用 PAM技术在生物医学领域具有广泛的应用前景。首先,依靠血红蛋白作为内源性对比剂,可以对 生物微血管结构进行高分辨成像,实现肿瘤等以血管变化为病理特征疾病的连续无标记监测;然后, PAM可结合光声光谱技术,对血氧饱和度、血流速度、氧代谢率等生理参数进行多参量光声功能成像 最后,结合高特异性的外源性对比剂进行高灵敏度分子成像,可弥补组织内源性对比剂在疾病诊断或 生物过程示踪中特异性不足的问题。下文将从血管生物学结构成像、多参量功能成像和外源性分子成 像3个应用方向介绍PAM技术的生物医学应用研究进展。 4.1血管生物学结构成像 生物组织中微血管的直径范围一般在2~100m,是负责氧气、营养物质和代谢废物交换的通 道,微血管结构成像可以为众多疾病的诊断提供生理和病理信息,如糖尿病、尿毒症和类风湿性关节 炎等。PAM可以实现微血管结构的非侵入性成像,如图15所示为OR-PAM用于血管生物学结构 高分辨成像的结果,微米级的分辨率使其在微血管结构成像中具有独特优势。小鼠耳部毛细血管网 络丰富,且厚度较薄(约300μm),是用于肿瘤血管生成和其它微血管疾病研究的理想模型,Hu等图 基于PAM技术率先实现了小鼠耳部微血管的成像(图15(a));Li等通过PAM技术首次获取了猫 脑初级视觉皮层的完整微血管网络(图15(b)),结合创新性血管提取算法为神经血管偶联及脑疾病 的应用研究提供了新的方法;zhao等结合三维 Hessian矩阵血管增强算法实现了大鼠虹膜血管结 构的高精度提取(图15(c)),与此同时,zhao等2还提出一种创新的运动校正算法,对活体PAM过程 中的运动伪影进行校正,实现了高精度图像配准,首次获取了小鼠背部微血管结构的大视场光声显微 图像(图15(d))。此外,PAM还被广泛用于小鼠穴位微循环、大鼠肠系叫、人体皮肤和口腔1等 组织的血管生物学结构的成像研究,正在成为生命科学研究和临床应用中一项重要的新型成像 技术。 (a)小鼠耳部血管 b)猫脑部初级视觉皮层血管 (a) Vasculature structure of mouse ear (b) Vasculature structure of cat primary visual cortex (c)大鼠虹膜血管 d)小鼠背部血管 (c) Vasculature structure of rat iris d) vasculature structure of mouse dorsum 图15 OR-PAM的血管生物学结构成像结果04 Fig 15 OR-PAM imaging of vascular biological structure. 40-42) 由于PAM技术出色的微血管结构成像性能,使肿瘤等以微血管变化为病理特征疾病的无标记监 测成为可能。近年来,涌现出大量利用PAM技术进行肿瘤诊断和监测的应用研究71,Jin等2通过手 持式PAM系统对LS174T癌细胞肿瘤的微血管生成过程进行了连续多天监测,如图16所示,随着肿瘤 的生长,新生血管不断生成,其形成开始于肿瘤的边界,并随着血管密度的增加逐渐向肿瘤中心扩散。 由于口腔内存在着高密度的血管网络,其结构的改变与口腔的早期癌变密切相关,Jin等还通过对人体数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 4 PAM 技术的生物医学应用 PAM 技术在生物医学领域具有广泛的应用前景。首先，依靠血红蛋白作为内源性对比剂，可以对 生物微血管结构进行高分辨成像，实现肿瘤等以血管变化为病理特征疾病的连续无标记监测；然后， PAM 可结合光声光谱技术，对血氧饱和度、血流速度、氧代谢率等生理参数进行多参量光声功能成像； 最后，结合高特异性的外源性对比剂进行高灵敏度分子成像，可弥补组织内源性对比剂在疾病诊断或 生物过程示踪中特异性不足的问题。下文将从血管生物学结构成像、多参量功能成像和外源性分子成 像 3 个应用方向介绍 PAM 技术的生物医学应用研究进展。 4. 1 血管生物学结构成像 生物组织中微血管的直径范围一般在 2~100 μm[37] ，是负责氧气、营养物质和代谢废物交换的通 道，微血管结构成像可以为众多疾病的诊断提供生理和病理信息，如糖尿病、尿毒症和类风湿性关节 炎等[38] 。PAM 可以实现微血管结构的非侵入性成像，如图 15 所示为 OR‐PAM 用于血管生物学结构 高分辨成像的结果，微米级的分辨率使其在微血管结构成像中具有独特优势。小鼠耳部毛细血管网 络丰富，且厚度较薄（约 300 μm）,是用于肿瘤血管生成和其它微血管疾病研究的理想模型[39] ，Hu 等[8] 基于 PAM 技术率先实现了小鼠耳部微血管的成像（图 15（a））；Li 等[40] 通过 PAM 技术首次获取了猫 脑初级视觉皮层的完整微血管网络（图 15（b）），结合创新性血管提取算法为神经血管偶联及脑疾病 的应用研究提供了新的方法；Zhao 等[41] 结合三维 Hessian 矩阵血管增强算法实现了大鼠虹膜血管结 构的高精度提取（图 15（c）），与此同时，Zhao 等[42] 还提出一种创新的运动校正算法，对活体 PAM 过程 中的运动伪影进行校正，实现了高精度图像配准，首次获取了小鼠背部微血管结构的大视场光声显微 图像（图 15（d））。此外，PAM 还被广泛用于小鼠穴位微循环[43] 、大鼠肠系[44] 、人体皮肤[45] 和口腔[46] 等 组 织 的 血 管 生 物 学 结 构 的 成 像 研 究 ，正 在 成 为 生 命 科 学 研 究 和 临 床 应 用 中 一 项 重 要 的 新 型 成 像 技术。 由于 PAM 技术出色的微血管结构成像性能，使肿瘤等以微血管变化为病理特征疾病的无标记监 测成为可能。近年来，涌现出大量利用 PAM 技术进行肿瘤诊断和监测的应用研究[47‐51] ，Jin 等[52] 通过手 持式 PAM 系统对 LS174T 癌细胞肿瘤的微血管生成过程进行了连续多天监测，如图 16 所示，随着肿瘤 的生长，新生血管不断生成，其形成开始于肿瘤的边界，并随着血管密度的增加逐渐向肿瘤中心扩散。 由于口腔内存在着高密度的血管网络，其结构的改变与口腔的早期癌变密切相关，Jin 等还通过对人体 图 15 OR‐PAM 的血管生物学结构成像结果[8,40‐42] Fig.15 OR‐PAM imaging of vascular biological structure[8,40‐42] 780