一种用于深部光声成像的可摄入光源

《Photoacoustics》：An Ingestible Light Source for Deep Photoacoustic Imaging

　　

光声断层扫描(PAT)利用超声波在组织中的深穿透特性，能够获取远超光学扩散极限的光学吸收对比度。传统的光声系统依赖外部投射的光源，因此受到光学衰减的限制，成像深度通常被限制在几厘米以内。在此，研究人员克服这一限制，开发了一种紧凑的、由声学驱动的装置，该装置能够直接在目标介质内部提供光学激发。通过利用低频兆赫兹(MHz)超声波微弱的衰减特性，声学能量透过组织传输，为脉冲激光二极管提供无线电力。发射出的光脉冲产生光声信号，这些信号编码了临床相关深度下的局部光学吸收信息，这使得对胃肠道等表面照明无法到达的区域进行成像成为可能。研究人员通过12厘米厚的仿体成像演示了这一方法，为深部组织光声成像开辟了新途径。

论文解读：一种用于深部光声成像的可摄入光源

研究背景与意义

自21世纪初以来，胶囊内镜(CE)为胃肠道(GI)成像提供了一种微创手段，能够观察到传统上下消化道内镜无法触及的小肠段。然而，胶囊内镜依赖传统的白光摄影，只能显示粘膜组织的表面形态，对于位于肠壁内或肠壁外的病变（如透壁性炎症、血管发育异常或粘膜下肿瘤）往往无能为力。虽然磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)以及超声系统能提供壁层外的结构图像，但它们缺乏光学成像所提供的功能性和分子对比度（如血管密度可视化）。

光声断层扫描(PAT)结合了光学对比度和超声穿透力，在厘米级深度成像中具有显著优势。然而，传统的光声成像若采用外部照明，由于生物组织的有效衰减系数（μ_eff～ 0.9 ? 1.74 cm^?1）限制，光通量在几厘米的深度后即大幅衰减，导致光声信号极其微弱。此外，现有的光声内窥镜多采用光纤导入照明，不仅受限于传统内镜的解剖可达范围，还需要插管和镇静，不适用于常规筛查或长期监测。因此，亟需一种能够对全胃肠道粘膜下层进行微创甚至无创成像的新技术。

关键技术方法

为了实现这一目标，研究人员开发了一种胶囊尺寸（长26毫米，直径11毫米）的无线光声断层扫描(WPAT)装置。该装置集成了三大核心技术模块：

1. 1.
   光学激发模块：采用905纳米波长的脉冲激光二极管阵列，通过低电感氮化镓场效应晶体管(GaN FET)和高频门极驱动器控制，在约0.6微秒的脉冲内实现约300瓦的峰值光学输出。
2. 2.
   声学能量传输模块：利用500千赫兹(kHz)的外部超声换能器向体内装置无线输电。胶囊内的压电接收器将声能转换为电能，经由科克罗夫特-沃尔顿(Cockcroft-Walton)倍压电路整流后，为激光电容组充电。
3. 3.
   电磁触发模块：通过外部的偶极子天线发射宽带电磁脉冲，胶囊上的共形螺旋天线接收信号并整流，随后通过单稳态多谐振荡器产生固定宽度的触发脉冲，以实现与外部超声检测阵列的精确同步。
   实验验证在一个大型水槽中进行，使用直径60厘米、包含512个元件的人体尺度超声接收阵列来捕捉光声信号，并通过12厘米厚的4%琼脂仿体模拟人体组织对信号的衰减影响。

研究结果

2.1 光学激发模块

该模块设计的核心在于最大化高峰值功率输出。研究人员选用表面贴装激光二极管阵列，并采用对称分布的电容组（总计4.5微法）围绕二极管布局，通过过孔降低快速大电流放电时的寄生电感。测试结果显示，该模块输出的平均光脉冲能量为130微焦耳(μJ)，电光转换效率约为40%，满足了深部成像对瞬时功率的需求。

2.2 声学能量传输

针对胶囊内无法长时间承载大容量电池的问题，研究人员利用MHz级超声在体内低衰减传输的特性进行无线供电。研究测量了声学接收器的输入阻抗，并插入LC匹配网络以最大化功率传输。在符合FDA安全标准（空间峰值时间平均强度 I_SPTA< 720 mW/cm²，机械指数 MI < 1.9 MPa/√MHz）的前提下，外部发射器产生的峰值声压约为210千帕(kPa)，对应的峰值声强约为1.47 W/cm²。实验成功实现了对激光电容组的线性充电，验证了在安全距离内为该无线装置提供持续动力的可行性。

2.3 无线触发

为了解决体内装置与外部检测系统的同步难题，研究采用了基于电磁脉冲的无线触发机制。胶囊表面的螺旋天线接收到外部的快速上升沿电脉冲（约2纳秒）后，经由超快二极管构成的全波整流器处理，触发单稳态多谐振荡器产生约0.6微秒的激光驱动脉冲。测试表明，该无线触发模块的抖动小于0.1微秒，对应图像生成中的位置不确定性小于0.15毫米，保证了成像的时空精度。

2.4 无线光声成像

研究人员将各模块集成并进行整体成像演示。系统工作时序为：首先进行8毫秒的声学供电以充电容，随后预留10毫秒的间隙让供电声波衰减（避免干扰微弱的PA信号），最后发射激光并记录光声信号。通过对12厘米厚仿体后的目标进行二维扫描（步长4毫米）及2000次激光脉冲的信号平均，最终成功重建出了目标图像。图像信噪比约为17，空间分辨率达到约0.9毫米，证明了该无线系统在极小光脉冲能量下实现深部高分辨率成像的能力。

讨论与结论

研究表明，这种新型的可摄入无线光声成像装置突破了传统表面光照的深度限制，能够利用超声作为能量载体，在胃肠道等深部组织中实现原位光学激发。这不仅消除了对体内电池的绝对依赖，还使得对整个胃肠道粘膜下层的连续、动态监测成为可能。

尽管前景广阔，但要走向临床仍面临挑战。例如，胃肠道内的气腔会阻碍声能传输和信号检测，未来可能需要结合术前服用西甲硅油（simethicone）等消泡剂来改善。此外，肠道内的非受控运动要求未来系统具备实时定位（如利用磁场或超声成像追踪）和自适应波束成形能力，以确保声能始终聚焦在胶囊位置。未来的优化方向还包括采用侧向光学照明以更好地贴合临床需求，以及探索更高脉冲能量的激光二极管以提升成像速度。总之，这项研究为微创深部组织功能成像提供了一个极具潜力的技术平台。