光声层析成像 (optoacoustic or photoacoustic tomography)是近年发展迅速的一种无损伤、无辐射的新型生物医学成像技术，它结合了传统光学成像和超声成像的优点，在生物医学领域具有广阔的应用前景。然而，光声层析成像存在空间分辨率低、成像灵敏度差、组织对比度弱等固有缺陷，难以分辨组织内部的细微结构，难以探测低浓度的生物分布，难以提供详细的结构信息，限制了该技术的发展和应用。多模态光声成像技术，可以在发挥光声成像优势的同时，弥补上述局限，将极大的拓展该技术的发展空间和应用领域。

（1）大视场光声+荧光耦合成像

荧光成像具有高灵敏度、高特异性，是现代生物科学研究的主要手段之一。然而，宽场荧光对高散射性组织成像时分辨率极大降低，且缺少深度信息。光声成像虽然可以借助造影剂提升成像灵敏度，但是超声换能器的探测灵敏度远低于光子探测器。将两种成像模态耦合，具有成像机制上的互补性和生物医学应用上的重要意义。但是由于光声层析成像需要大覆盖面积的阵列换能器且需要视场内大脉冲功率照明，在极度受限的物理空间耦合视场匹配的荧光成像系统，在技术上存在极大的挑战。针对上述挑战，设计并研制了一套光声+荧光耦合成像平台(Chen et al., Optics Letters 42(22), 2017)（图1a），实现了大视场（12×12 mm²）活体生物组织的高速光声成像（100 Hz）和高灵敏度荧光成像（50 Hz），有效突破了光声成像系统因空间受限无法集成其他成像模态的瓶颈，提高了对活体组织瞬态信息获取的能力。通过活体实验揭示了光声和荧光成像在不同组织深度不同造影剂下的成像性能 (图1 b, c)，为光声+荧光临床应用提供了理论和实践指导(Chen et al., Biomedical Optics Express 9(5), 2018; Chen et al., Biomedical Optics Express 10(10), 2019)。值得强调的是，光声+荧光耦合成像不仅提高了成像灵敏度，同时也增加了信息的获取维度。通过在体大脑活动神经元信号（GCaMP）和血液动力学多参数（氧和/去氧/总血红蛋白以及血氧饱和度）三维信号的实时读取（图1 d-j），有效地拓展了现有神经成像手段，为研究脑功能和神经退行性疾病提供了技术支撑（Chen et al., Advanced Science 9(24), 2022）。

图1. 光声+荧光双模态同时成像平台及应用。 (a) 同时成像平台。①-④分别是光纤传像束，照明光纤进光口、出光口以及超声探测器阵列示意图。(b), (c)荧光造影剂灌注过程中对应的荧光和光声图像。(d), (e)通过小鼠尾静脉灌注ICG时荧光和光声同时成像结果。（f) GCaMP荧光蛋白的化学结构。(g) 不同内源信号的光声吸收曲线。(h)-()小鼠大脑在外部电刺激情况下光声和荧光对应的激活图案及响应曲线。

（2）光声+磁共振同时成像

生物组织内血红蛋白的消光系数占据主导地位，且血管网络遍布全身，加上光声层析成像空间分辨率较低，这些因素共同导致了图像对比度低、缺少结构信息，极大地制约了光声层析成像在生物医学中的应用。磁共振成像能够提供高分辨率的软组织对比度，且在时间和空间分辨率上与光声层析成像存在强互补性。虽然功能磁共振血氧水平依赖（BOLD）信号是神经科学研究中应用最广的生理参数，但是BOLD产生机制复杂，至今没有明确的解释；光声层析成像可以提供多组分血液动力学信号，二者结合可实现生理信号的高效解读。然而传统情况下，由于强磁干扰光声和磁共振数据只能分开采集，导致后期数据分析中图像配准困难、生理状态不同步等问题。为了实现同时成像，设计了一套能够兼容超高磁场强度（9.4特斯拉）的光声成像设备，提出了消除磁共振射频信号串扰的解决方案，并成功研制了世界首套用于在体成像的光声磁共振混合模态同时成像平台（图2），突破了光声层析图像对比度低、缺少解剖结构信息的难题（Chen et al., Light: Science & Applications 11(1), 2022）。光声层析成像能够提供磁共振成像无法测量的分子信息和血氧代谢信息。通过开展小鼠大脑对外部电刺激的多参数激活响应研究，同时测量得到多参数血液动力学信号和BOLD信号的实时变化，揭示了不同参数激活图案的高时空相关性以及BOLD信号变化的内在原因，实现了光声信号和功能磁共振BOLD信号的协同解读（图3）（Chen et al., Advanced Science 10(3), 2022）。

图2. 光声+磁共振多模态成像平台。 

图3. 基于光声+磁共振同时成像平台得到的小鼠大脑对外部电刺激的响应结果。（a）小鼠大脑不同切面上光声信号和BOLD信号对应的激活图案。(b), (c)小鼠大脑体感皮层对外部电刺激响应时不同血液动力学信号激活图案在空间和时间序列上的相关性。

参考文献

1. Z Chen, I Gezginer, Q Zhou, et al., "Multimodal optoacoustic imaging: methods and contrast materials," Chemical Society Reviews 53, 6068-6099(2024). 

2. Z Chen, I Gezginer, M Augath, et al., "Simultaneous Functional Magnetic Resonance and Optoacoustic Imaging of Brain‐Wide Sensory Responses in Mice, " Advanced Sciences 10 (3), 2205191(2023).

3. Z Chen, I Gezginer, M Augath, et al., "Hybrid magnetic resonance and optoacoustic tomography (MROT) for preclinical neuroimaging," Light: Science & Applications 11:332(2022).

4. Z Chen, Q Zhou, XL Deán-Ben, et al., "Multimodal Noninvasive Functional Neurophotonic Imaging of Murine Brain‐Wide Sensory Responses, " Advanced Sciences, 2105588 (2022).

5. R Ni*, Z Chen*, XL Deán-Ben*, et al., " Multiscale optical and optoacoustic imaging of amyloid-β deposits in mice," Nature Biomedical Engineering 6, 1031–1044 (2022).

6. Z Chen, A Özbek, J Rebling, et al., "Multifocal structured illumination optoacoustic microscopy, " Light: Science & Applications 9 (1), 1-9 (2020).

7. Z Chen, XL Deán-Ben, N Liu, et al., “Concurrent fluorescence and volumetric optoacoustic tomography of nanoagent perfusion and bio-distribution in solid tumors,” Biomed. Opt. Express 10 (10), 5093-5102 (2019).

8. Z Chen, XL Deán-Ben, S Gottschalk, et al., "Performance of optoacoustic and fluorescence imaging in detecting deep-seated fluorescent agents," Biomed. Opt. Express 9, 2229-2239 (2018).

9. Z Chen, L Dean-Ben, S, Gottschalk, et al., “Hybrid system for in vivo epifluorescence and 4D optoacoustic imaging”, Opt. Lett 42, 4577-4580 (2017).