光声内窥成像技术实现体内功能成像新突破

一、前言

内窥成像技术是腔体器官疾病临床筛查与诊疗的核心手段，为体内腔道组织可视化提供了直接支撑。传统白光内窥镜、窄带成像等技术虽能评估黏膜形态与表面微血管结构，助力肿瘤检出及手术引导，但仅局限于组织表层信息获取，无法穿透黏膜层捕捉深层结构细节，更难以量化血流速度、血氧饱和度等关键功能参数，极大限制了其在疾病早期诊断、病理分期及疗效动态评估中的应用。

光声内窥成像（PAE）融合光学对比度与超声高空间分辨率优势，凭借无标记、深穿透、可同步获取结构与功能信息的独特特性，成为突破上述瓶颈的核心方向，尤其在微血管成像领域展现出巨大潜力。然而现有PAE系统存在明显局限：外部机械扫描式PAE难以适配非管状腔道，全光学扫描系统帧率低、探头刚性强，MEMS扫描式PAE则受限于镜面倾角，存在视场（FOV）与探头尺寸的设计矛盾，且高速扫描易导致采样不均、局部热积累。因此，研发兼具微型化、高速成像、多场景适配能力的PAE系统，成为推动其临床转化的关键课题。

二、研究内容

南方科技大学研究团队针对性研发了微型化多视角光声内窥镜（Multi-PAE）系统，将微型光学扫描仪与折叠光路集成于胶囊尺寸探头中，通过柔性印刷电路板（FPCB）优化MEMS封装，使探头直径缩减至5.5mm、刚性长度仅16mm，大幅提升了窄小、弯曲腔道的导航能力。该探头配备三种可切换成像接口（正视0°、斜视30°、侧视90°），可根据不同腔道解剖结构灵活适配，实现多场景全覆盖成像（图1）。

为解决高速扫描的采样均一性问题，团队提出复合双螺旋共振扫描（CDSRS）机制，融合阿基米德螺旋（AS）与费马螺旋（FS）轨迹，在共振频率下实现2mm直径视场的均匀扫描，成像帧率达6体积/秒，同时将中心区域激光脉冲数量减少约50%，有效规避局部热损伤风险（图2）。

 

图1.Multi-PAE 系统与探头设计，展示了 Multi-PAE 系统的整体架构。

 

图2.复合双螺旋共振扫描与图像重建， 对比了三种扫描模式：阿基米德螺旋（AS）、费马螺旋（FS）和复合双螺旋（A-FS）。

大鼠直肠实验证实，该系统可精准获取高分辨率血管形态图像，同步实现血氧饱和度（sO₂）、总血红蛋白浓度（CHbT）等血流动力学参数的实时可视化（图3及补充视频）。兔宫颈炎症成像实验中，该系统呈现了大范围的宫颈血管图谱，并实现了炎症周期监测和血管结构和功能的定量分析，将内窥成像从“表层结构观察”升级为“结构-功能一体化评估”，为复杂腔道疾病诊断提供了全新技术路径（图4及补充材料）。

 

图3.大鼠直肠血管解剖与功能成像。

 

图4.兔宫颈血管与炎症动态监测。

为了进一步评估这种方法在临床成像中的可能性，作者将Multi-PAE探头和1.2 mm直径的白光内窥镜集成到定制的控制手柄中，以保证理想的可操作性，并对志愿者口腔进行了活体成像。结果显示，该内窥成像探头可以灵活地对口腔内各个部位实现结构和功能成像，展现了该方案的临床应用前景。

 

图5.人体口腔血管成像，包括唇、牙龈、舌、颊及咽部，显示 Multi-PAE 在临床口腔成像的可行性。

三、总结

本研究成功研发的Multi-PAE系统，通过微型化多视角探头设计、复合双螺旋共振扫描机制两大核心创新，系统性解决了传统光声内窥成像的场景适配性差、采样不均、热损伤风险等关键问题，在大鼠直肠、兔宫颈及人体口腔多场景中验证了其稳定的结构与功能成像能力。该系统不仅实现了5.5mm微型化探头与6体积/秒高速成像的兼顾，更通过可切换接口与白光集成设计，降低了临床转化门槛，为腔道疾病的无创诊断、动态监测提供了全新工具。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213597925000734?via%3Dihub