首页  技术文章  博览:2021 Nat Biomed Eng 人脑大规模并行功能光声断层成像

博览:2021 Nat Biomed Eng 人脑大规模并行功能光声断层成像

发布时间:2022-04-02 16:33:49 浏览量:1572 作者:LY.Young 光学前沿

摘要

自 1990 年问世以来,血氧水平依赖(blood-oxygen-level-dependent, BOLD)成像(功能性磁共振成像 (fMRI) 的主要形式)一直是非侵入性脑功能成像的支柱。最先进的7T MRI系统可以实现亚毫米/亚秒的时空分辨率,但重量超过 20吨,成本超过6百万美元。此外,MRI不适用于具有铁磁植入物或幽闭恐惧症的患者,并且由于操作噪音大而难以忍受。核医学神经成像方法(PET和SPECT)可以对神经代谢进行成像,但它们通常具有较差的时间分辨率,并且受到使用放射性同位素的限制。脑电图、脑磁图和功能性近红外光谱可以提供较高的时间分辨率,但空间分辨率较差且缺乏解剖(anatomical )信息。尽管已经通过囟门(fontanelles)在人类新生儿大脑中证明了功能性超声成像,但它仅限于相对较小的冠状视场(FOV),并且由于多普勒效应的角度依赖性,其对平行于探头表面的血流不敏感。

关键词

正文


博览:2021 Nat Biomed Eng 人脑大规模并行功能光声断层成像


技术背

自 1990 年问世以来,血氧水平依赖(blood-oxygen-level-dependent, BOLD)成像(功能性磁共振成像 (fMRI) 的主要形式)一直是非侵入性脑功能成像的支柱。最先进的7T MRI系统可以实现亚毫米/亚秒的时空分辨率,但重量超过 20吨,成本超过6百万美元。此外,MRI不适用于具有铁磁植入物或幽闭恐惧症的患者,并且由于操作噪音大而难以忍受。核医学神经成像方法(PET和SPECT)可以对神经代谢进行成像,但它们通常具有较差的时间分辨率,并且受到使用放射性同位素的限制。脑电图、脑磁图和功能性近红外光谱可以提供较高的时间分辨率,但空间分辨率较差且缺乏解剖(anatomical )信息。尽管已经通过囟门(fontanelles)在人类新生儿大脑中证明了功能性超声成像,但它仅限于相对较小的冠状视场(FOV),并且由于多普勒效应的角度依赖性,其对平行于探头表面的血流不敏感。


光声断层成像(photoacoustic computed tomography, PACT)通过检测源自内源性血红蛋白 (haemoglobin,Hb) 通过脉冲光吸收受热膨胀产生的超声波无创地重建血管系统,因此可以基于神经血管耦合对神经活动进行成像。与 BOLD fMRI相比,PACT对脱氧血红蛋白 (deoxyhaemoglobin,HbR) 和含氧血红蛋白 (oxyhaemoglobin,HbO2 ) 均直接敏感。在过去的二十年中,PACT已在血管学(angiology)、肿瘤学(oncology)、胃肠病学   (gastroenterology)、心脏病学(cardiology)和神经病学(neurology)领域得到应用。


当前不足:

当前人脑的PACT尚未实现。现有的全景二维PACT 系统无法区分来自大脑和上覆组织的信号。此外,三维(3D)系统要么太慢而无法克服运动伪影并捕获快速的功能信号,要么不够灵敏,无法检测到细微的血液动力学变化。


文章创新点:

基于此,美国加州理工学院的Shuai Na(第一作者)和Lihong V. Wang(通讯作者)等人提出了一个由 1,024 (1K) 个并行超声换能器阵元(element)组成的体内 3D 功能性人脑 PACT 系统,称为 1K3D-fPACT。通过复制运动功能和语言的标志性 fMRI 任务,对接受偏侧颅骨切除术的患者进行功能成像。记录的功能激活针对 7T fMRI结果进行验证,并通过重复测量进行自我验证。通过对一名植入金属的患者进行成像,展示了 1K3D-fPACT在MRI耐受性不佳的人群中的使用。总的来说,在其起步阶段,所提出的技术展示了与当前用于人脑血管系统和功能成像的黄金标准相当的结果。


原理解析:

(1)整体构成。如图1a、b 所示,1K3D-fPACT 由五个主要部分组成:一个双波长(1,064 nm 和 694 nm)激光模块,用于激发具有HbO2 和 HbR 对比的 PA(photoacoustic) 波;四个含256个阵元的四分之一环超声换能器阵列均匀分布在半球碗上,全景记录PA信号;一对一映射信号放大和数据采集 (DAQ) 系统,用于放大和数字化 PA 信号;提供方位角采样的扫描机制;头部支撑和高度可调的床以符合人体工程学原理的方式稳定头部。

(2)1K3D-fPACT工作机制。如图2所示,一个调Q Nd:YAG 激光器(Quanta-Ray PRO-350-10,Newport Spectra-Physics, Ltd.)和一个调Q红宝石激光器(QSR9,Innolas UK, Ltd.)分别在 1064 nm 和 694 nm交错激发脉冲。激光束被部分反射到光电二极管(DET36A,Thorlabs,Inc.)以对脉冲能量波动进行采样。生成的 PA 信号由四个含256个阵元的四分之一环超声换能器阵列(由 Imasonic, Inc. 设计和定制)记录,并由 1024 个定制的一对一映射前置放大器放大,增益为51dB。四个12位256通道可编程DAQ(LEGION ADC256,PhotoSound Technologies, Inc.),设置成20-MHz 采样率、6-dB 增益和 7.5-MHz 模拟抗混叠(anti-aliasing)截止频率,数字化放大PA信号并通过四个 USB 3.0 端口将它们传输到计算机。该系统由内部开发的软件控制,该软件使用 Python 3.7.0、LabVIEW 2018(National Instruments, Corp.)和 MATLAB 2018b(MathWorks, Inc.)进行编程。通过数字 I/O 将扫描参数和刺激范式(stimulation paradigms)发送到控制和同步模块来设置扫描机制。


(3)1K3D-fPACT 基础设施和在其上成像的对象。如图3所示,a,压合支架和张紧的 PVC 薄膜在六个自由度内支撑和约束头部,最大限度地减少运动伪影并提供持久的舒适度。b,半球碗换能器阵列由四个含256阵元的四分之一环阵列组成。光回收器(light recycler)表面上的凸面镜用于帮助将拍摄对象的头部对准视场中心,以获得最大的照明效率。c, 前端电子设备和 DAQ 位于顶部面板下方。换能器、前置放大器和 DAQ 通过插入式接口相互连接,以避免电缆引起的电噪声。底部框架下的扫描电机和光学组件(反射镜、光束采样器和光电二极管)未显示。


视频1:参与者 1 在执行手指敲击任务时被1K3D-fPACT成像


视频2:参与者1在7T MRI和1K3D-fPACT上获得的血管造影结构和功能图的比较


视频3:参与者3在7T MRI和1K3D-fPACT上获得的血管造影结构和功能图的比较

参考文献: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


关于昊量光电:

上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商,代理品牌均处于相关领域的发展前沿;产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等,涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等;可为客户提供完整的设备安装,培训,硬件开发,软件开发,系统集成等优质服务。

 

您可以通过昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息,或直接来电咨询4006-888-532。

 

本文章经光学前沿授权转载,商业转载请联系获得授权。