光声成像探索深层组织:韩国科研团队用镍基纳米粒子开发一种低成本光声成像方法

光声成像(Photoacoustic Imaging, PAI)是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到(热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射)生物组织中时,组织的光吸收域将产生超声信号,我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息,通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高选择特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点,可得到高分辨率和高对比度的组织图像,从原理上避开了光散射的影响,突破了高分辨率光学成像深度“软极限”(~1 mm),可实现50 mm的深层活体内组织成像。

最近,许多研究人员对观察深部组织进行了大量研究,以将光声成像应用于临床诊断和实践。韩国一研究团队提出了一种用于深层组织光声成像的新型造影剂。他们使用镍基纳米颗粒作为造影剂,吸收了1,064 nm波长光,获得了在活体动物中最大穿透深度为3.4 cm的组织图像,与以前研究相比,这是使用该波长观察到的最深层组织图像。

光声信号产生的基本原理是:当用短脉冲激光照射吸收体时,吸收体中的分子吸收光子后,当满足一定的条件时,吸收体分子的电子从低能级跃迁到高能级而处于激发态,而处于激发态的电子极不稳定,当电子从高能级向低能级跃迁时,会以光或热量的形式释放能量。在光声成像应用中通常会选择合适波长的激光作为激发源,使吸收的光子的能量转化为热能的效率最大,通常从光能转化为热能的效率可达到90%以上。释放的热量导致吸收体局部温度升高,温度升高后导致热膨胀而产生压力波,这就是光声信号。因此,光声信号的产生过程就是“光能”-“热能”-“机械能”的转化过程。

然而,尽管进行了大量研究活动观察各个器官深部组织,但是光声成像仍具有挑战性。难以以负担得起的成本、向体内深层组织提供足够波长为650〜900nm的光。因此,光声成像的商业和临床应用仍具有挑战性。

为了改善光声成像的这种局限性,研究团队推出了一种纳米镍基造影剂,可以吸收特定波长的1,064 nm波长的强光,以观察深层组织。他们验证了镍基纳米粒子的生物相容性,并在活体实验鼠通过插入纳米粒子获得了淋巴结,胃肠道,膀胱的深部组织(3.4厘米深)光声图像。

光声成像探索深层组织:韩国科研团队用镍基纳米粒子开发一种低成本光声成像方法

这项研究与以前使用短波长的研究不同。我们使用了长波长激光,能够最大程度地减少组织损伤。还可以通过向位于动物深处的器官传递光获取深层组织图像。

当这种新开发的光声成像技术应用于临床实践时,它可以通过无创方式生成图像且无辐射风险方式帮助诊断与深部器官有关疾病,这与其他需要辐射成像方法(例如计算机断层扫描(CT))不同。此外,波长为1,064 nm的激光相对较经济,可以与其他商用超声机器一起使用。

迄今为止,在所有有关光声成像的研究论文中,该研究都是对人体最深层组织成像的首个例子。该研究对光声成像的临床可行性迈出了非常有意义的一步。

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