自 1990 年問(wèn)世以來(lái)，血氧水平依賴(blood-oxygen-level-dependent, BOLD)成像(功能性磁共振成像 (fMRI) 的主要形式)一直是非侵入性腦功能成像的支柱崎岂。7T MRI系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)亞毫米/亞秒的時(shí)空分辨率捆毫，但重量超過(guò) 20噸，成本超過(guò)6百萬(wàn)美元冲甘。此外绩卤，MRI不適用于具有鐵磁植入物或幽閉恐懼癥的患者，并且由于操作噪音大而難以忍受江醇。核醫(yī)學(xué)神經(jīng)成像方法(PET和SPECT)可以對(duì)神經(jīng)代謝進(jìn)行成像濒憋，但它們通常具有較差的時(shí)間分辨率，并且受到使用放射性同位素的限制陶夜。腦電圖凛驮、腦磁圖和功能性近紅外光譜可以提供較高的時(shí)間分辨率，但空間分辨率較差且缺乏解剖(anatomical )信息条辟。盡管已經(jīng)通過(guò)囟門(mén)(fontanelles)在人類新生兒大腦中證明了功能性超聲成像黔夭，但它僅限于相對(duì)較小的冠狀視場(chǎng)(FOV)，并且由于多普勒效應(yīng)的角度依賴性羽嫡，其對(duì)平行于探頭表面的血流不敏感本姥。
博覽：2021 Nat Biomed Eng 人腦大規(guī)模并行功能光聲斷層成像
技術(shù)背景：
自 1990 年問(wèn)世以來(lái)，血氧水平依賴(blood-oxygen-level-dependent, BOLD)成像(功能性磁共振成像 (fMRI) 的主要形式)一直是非侵入性腦功能成像的支柱杭棵。7T MRI系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)亞毫米/亞秒的時(shí)空分辨率婚惫，但重量超過(guò) 20噸，成本超過(guò)6百萬(wàn)美元魂爪。此外先舷，MRI不適用于具有鐵磁植入物或幽閉恐懼癥的患者，并且由于操作噪音大而難以忍受滓侍。核醫(yī)學(xué)神經(jīng)成像方法(PET和SPECT)可以對(duì)神經(jīng)代謝進(jìn)行成像密浑，但它們通常具有較差的時(shí)間分辨率，并且受到使用放射性同位素的限制粗井。腦電圖尔破、腦磁圖和功能性近紅外光譜可以提供較高的時(shí)間分辨率街图，但空間分辨率較差且缺乏解剖(anatomical )信息。盡管已經(jīng)通過(guò)囟門(mén)(fontanelles)在人類新生兒大腦中證明了功能性超聲成像懒构，但它僅限于相對(duì)較小的冠狀視場(chǎng)(FOV)餐济，并且由于多普勒效應(yīng)的角度依賴性，其對(duì)平行于探頭表面的血流不敏感胆剧。
光聲斷層成像(photoacoustic computed tomography, PACT)通過(guò)檢測(cè)源自內(nèi)源性血紅蛋白 (haemoglobin,Hb) 通過(guò)脈沖光吸收受熱膨脹產(chǎn)生的超聲波無(wú)創(chuàng)地重建血管系統(tǒng)絮姆，因此可以基于神經(jīng)血管耦合對(duì)神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行成像。與 BOLD fMRI相比秩霍，PACT對(duì)脫氧血紅蛋白 (deoxyhaemoglobin,HbR) 和含氧血紅蛋白 (oxyhaemoglobin,HbO2 ) 均直接敏感篙悯。在過(guò)去的二十年中，PACT已在血管學(xué)(angiology)铃绒、腫瘤學(xué)(oncology)鸽照、胃腸病學(xué) (gastroenterology)、心臟病學(xué)(cardiology)和神經(jīng)病學(xué)(neurology)領(lǐng)域得到應(yīng)用颠悬。
當(dāng)前不足：
當(dāng)前人腦的PACT尚未實(shí)現(xiàn)“牵現(xiàn)有的全景二維PACT 系統(tǒng)無(wú)法區(qū)分來(lái)自大腦和上覆組織的信號(hào)。此外赔癌，三維（3D）系統(tǒng)要么太慢而無(wú)法克服運(yùn)動(dòng)偽影并捕獲快速的功能信號(hào)诞外，要么不夠靈敏，無(wú)法檢測(cè)到細(xì)微的血液動(dòng)力學(xué)變化灾票。
文章創(chuàng)新點(diǎn)：
基于此峡谊，美國(guó)加州理工學(xué)院的Shuai Na(第1作者)和Lihong V. Wang(通訊作者)等人提出了一個(gè)由 1,024 (1K) 個(gè)并行超聲換能器陣元(element)組成的體內(nèi) 3D 功能性人腦 PACT 系統(tǒng)，稱為 1K3D-fPACT刊苍。通過(guò)復(fù)制運(yùn)動(dòng)功能和語(yǔ)言的標(biāo)志性 fMRI 任務(wù)靖苇，對(duì)接受偏側(cè)顱骨切除術(shù)的患者進(jìn)行功能成像。記錄的功能激活針對(duì) 7T fMRI結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證班缰，并通過(guò)重復(fù)測(cè)量進(jìn)行自我驗(yàn)證贤壁。通過(guò)對(duì)一名植入金屬的患者進(jìn)行成像，展示了 1K3D-fPACT在MRI耐受性不佳的人群中的使用埠忘∑⒉穑總的來(lái)說(shuō)，在其起步階段莹妒，所提出的技術(shù)展示了與當(dāng)前用于人腦血管系統(tǒng)和功能成像的黃金標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果名船。
原理解析：
（1）整體構(gòu)成。如圖1a旨怠、b 所示渠驼，1K3D-fPACT 由五個(gè)主要部分組成:一個(gè)雙波長(zhǎng)（1,064 nm 和 694 nm）激光模塊，用于激發(fā)具有HbO2 和 HbR 對(duì)比的 PA(photoacoustic) 波鉴腻；四個(gè)含256個(gè)陣元的四分之一環(huán)超聲換能器陣列均勻分布在半球碗上迷扇，全景記錄PA信號(hào)百揭；一對(duì)一映射信號(hào)放大和數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)，用于放大和數(shù)字化 PA 信號(hào)蜓席；提供方位角采樣的掃描機(jī)制器一；頭部支撐和高度可調(diào)的床以符合人體工程學(xué)原理的方式穩(wěn)定頭部。
（2）1K3D-fPACT工作機(jī)制厨内。如圖2所示祈秕，一個(gè)調(diào)Q Nd:YAG 激光器（Quanta-Ray PRO-350-10，Newport Spectra-Physics, Ltd.）和一個(gè)調(diào)Q紅寶石激光器（QSR9雏胃，Innolas UK, Ltd.）分別在 1064 nm 和 694 nm交錯(cuò)激發(fā)脈沖请毛。激光束被部分反射到光電二極管(DET36A，Thorlabs瞭亮，Inc.)以對(duì)脈沖能量波動(dòng)進(jìn)行采樣方仿。生成的 PA 信號(hào)由四個(gè)含256個(gè)陣元的四分之一環(huán)超聲換能器陣列（由 Imasonic, Inc. 設(shè)計(jì)和定制）記錄，并由 1024 個(gè)定制的一對(duì)一映射前置放大器放大街州，增益為51dB兼丰。四個(gè)12位256通道可編程DAQ(LEGION ADC256玻孟，PhotoSound Technologies, Inc.)唆缴，設(shè)置成20-MHz 采樣率、6-dB 增益和 7.5-MHz 模擬抗混疊(anti-aliasing)截止頻率黍翎，數(shù)字化放大PA信號(hào)并通過(guò)四個(gè) USB 3.0 端口將它們傳輸?shù)接?jì)算機(jī)面徽。該系統(tǒng)由內(nèi)部開(kāi)發(fā)的軟件控制，該軟件使用 Python 3.7.0匣掸、LabVIEW 2018（National Instruments, Corp.）和 MATLAB 2018b（MathWorks, Inc.）進(jìn)行編程趟紊。通過(guò)數(shù)字 I/O 將掃描參數(shù)和刺激范式(stimulation paradigms)發(fā)送到控制和同步模塊來(lái)設(shè)置掃描機(jī)制。
（3）1K3D-fPACT 基礎(chǔ)設(shè)施和在其上成像的對(duì)象碰酝。如圖3所示霎匈，a，壓合支架和張緊的 PVC 薄膜在六個(gè)自由度內(nèi)支撐和約束頭部送爸，非常大限度地減少運(yùn)動(dòng)偽影并提供持久的舒適度铛嘱。b，半球碗換能器陣列由四個(gè)含256陣元的四分之一環(huán)陣列組成袭厂。光回收器(light recycler)表面上的凸面鏡用于幫助將拍攝對(duì)象的頭部對(duì)準(zhǔn)視場(chǎng)中心墨吓，以獲得z大的照明效率。c, 前端電子設(shè)備和 DAQ 位于頂部面板下方纹磺。換能器帖烘、前置放大器和 DAQ 通過(guò)插入式接口相互連接，以避免電纜引起的電噪聲橄杨。底部框架下的掃描電機(jī)和光學(xué)組件（反射鏡秘症、光束采樣器和光電二極管）未顯示照卦。
視頻1：參與者 1 在執(zhí)行手指敲擊任務(wù)時(shí)被1K3D-fPACT成像
視頻2：參與者1在7T MRI和1K3D-fPACT上獲得的血管造影結(jié)構(gòu)和功能圖的比較
視頻3：參與者3在7T MRI和1K3D-fPACT上獲得的血管造影結(jié)構(gòu)和功能圖的比較
參考文獻(xiàn)：Na, S., Russin, J.J., Lin, L. et al. Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain. Nat Biomed Eng (2021).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-021-00735-8
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