光声计算的断层摄影技术利用激光扫描大脑成像

加州理工学院教授Lihong Wang展示了一种能够用激光和超声波成像人脑的技术。该技术被称为 PACT，用于光声计算机断层扫描。先前版本的PACT最初是用于对组织和器官进行成像的，它能够对老鼠身体的内部结构进行成像，甚至能够检测乳房肿瘤，从而使得该方法有可能作为乳房X光检查的替代方法。在最新的工作中，Wang进一步改进了这项技术，使其具有足够的精确灵敏度，这样能够检测通过微小血管的血液量以及血液的氧合水平的微小变化。由于在大脑在工作期间，大脑特定区域的血液流动会增加，因此，显示血液浓度和含氧量的变化的设备可以帮助研究人员和医疗专业人员监测大脑活动。这被称为功能成像。"在乳房成像中，你只是想看到血管，因为它们可以揭示肿瘤的存在，" Wang说。"但是，图像大脑活动的功能变化只是基线信号变化的几个百分点。测量它的变化的难度要高于一个数量级以上。"

加州理工学院的Lihong Wang开发和改进的 PACT 技术能够用激光对大脑进行成像。Unsplash/CC0 Public Domain供图。

以前，该技术仅用于功能磁共振成像(fMRI)机器，这些机器使用比地球磁场强 100000倍的无线电波和磁场来监测血氧水平。fMRIs 是一种成熟的技术，运作良好，但它们具有某些缺点，其中包括成本问题。强磁场也需要特别的预防措施，因为含铁物体可以被机器施加的超强力拉动。这些机器对幽闭恐惧症患者也是不友好的，因为患者在被成像时必须放在一个狭窄的内闭空间里。

Wang的技术更简单，更便宜，更紧凑：它通过将激光脉冲照射到头部而起作用，当光线照射到头皮和头骨时，它分散在大脑中，并被患者红血球中携带氧气的血红蛋白分子吸收。血红蛋白分子从光中得到的能量导致它们发生超声波振动。这些振动通过组织传播回来，由放置在头部外部的1024个微小的超声波传感器阵列提取。然后，从这些传感器得到的数据通过计算机算法组装成一张3D地图，显示整个大脑的血流和含氧量的变化。

Wang先生与南加州大学（USC）的神经学专家合作，他们与脑外伤患者合作，在人类患者身上测试这种方法。在创伤性脑损伤的情况下，有些患者必须接受颅脑损伤偏侧颅骨切除术，这是一种挽救生命的办法，其中很大一部分头骨被切除，以控制因脑肿胀而造成的压力。在病人急性损伤恢复后，但在颅骨重建手术之前，他们选择患者参与此项研究来测试成像技术的有效性。"我们还需要克服的一个障碍是头骨，" Wang说。"这相当于一个声学镜头，但它不是一个好的镜头，因为它扭曲以及衰减了信号。这就像透过波浪形的窗户向外看。偏侧颅骨切除术患者，因为他们暂时失去了他们的头骨的一部分，因此成像没有扭曲。为了给患者提供一个完整的头骨成像，研究小组剃了病人的头（Wang说，他们试图消除这一步骤），以便激光可以照亮头皮。然后，病人躺在桌子上，头部部分地放在一个碗形结构里，这里面装着激光源、超声波传感器和水。Wang说，水充当了"中介"，通过声学方式将传感器与头皮表面耦合，并允许它们有效地接收信号。

今后，团队将专注于解决头发和头骨引起的问题。他说，如果光纤能够用来在头皮上的毛囊之间传递激光脉冲，就有可能避免剃光病人的头发。"我们需要一种方法来抵消头骨造成的扭曲，"他说。解决方案可能以数据处理算法的形式出现，该算法能够在构建图像时弥补失真。研究经费由National Institutes of Health(NIH)提供。 这些研究发表在《Nature Biomedical Engineering》(www.doi.org/10.1038/s41551-021-00735-8).