美国加州理工学院汪立宏课题组AS：超声光声“交叉”观测脑血液动力学行为

创新点：美国加州理工学院汪立宏课题组将单通道球面聚焦超声换能器与环形光声断层成像系统在空间上交叉布置，视换能器焦点为虚拟点声源，实现超快超声激发和各向同性的多普勒矢量血流速测量，结合光声模态，实现对小鼠大脑皮层在外界刺激下血液动力学行为的综合观测。

关键词：脑功能成像, 交叉射线超声成像, 超声多普勒, 光声断层成像

大脑神经元活动会改变周围血液动力学行为，这一现象被称为神经血管耦合。基于此现象，人们可以通过测量脑血流速度和血红蛋白浓度的改变来间接观测大脑神经元的活动，是脑功能成像的重要手段。多普勒超声被广泛应用于血流速测量，然而传统多普勒超声由于使用聚焦扫描策略，成像帧率有限，无法实现大视场内的高速流测量。先进的超快多普勒超声成像使用倾斜平面波激发整个成像区域，结合相干复合图像重构方法，可提供上千赫兹的成像帧率，大幅提高了脑血流的成像质量，推动了功能超声成像（fUS）的发展。然而，多普勒超声的成像机理决定了其对偏离声轴方向血流探测的灵敏度减弱，同时，超声成像的物理本质又决定了fUS在无标记情况下缺乏分子特异性。与之相比，光声断层成像 (PAT) 通过溯源热弹性诱导声波来计算内源性的光吸收，具有很高的分子特异性。因此，fUS和PAT相辅相成，可协同表征脑血液动力学行为。然而，先进的二维环形PAT系统通常不具备超声发射功能，且其换能器的较大单元尺寸和间距导致严重的波束成型栅瓣，阻碍了PAT和fUS的双模态融合。

针对以上问题，加州理工汪立宏课题组提出交叉射线超声断层成像（CRUST）方法，该方法对各向血流具有一致的灵敏度，且无需硬件改造便可与原有的PAT系统融合。CRUST 采用球面聚焦超声换能器，以超高频率将脉冲球面波发射到成像平面，利用PAT 系统的环形超声阵列接收瑞利散射信号，实现超快超声成像。由于发射超声射线与接收平面相互正交，且环形阵列可提供完整的接收平面角，此方法具有无死角绘制血液矢量流的能力。使用CRUST-PAT，研究人员对小鼠大脑在外界刺激下的血红蛋白浓度，血氧含量以及血流速度进行了同步观测，证实了这三个血液动力学参数与外界刺激的高度关联性。研究者相信，CRUST-PAT对脑血流和血氧的同时成像能力有望为研究脑小血管病和退行性神经疾病的相互关系提供有力工具。

相关结果发表在Advanced Science上。现北京大学未来技术学院研究员那帅、加州理工学院博士后张洋为本文的共同第一作者，加州理工学院汪立宏教授为本文的通讯作者。

WILEY

论文信息：

Cross-Ray Ultrasound Tomography and Photoacoustic Tomography of Cerebral Hemodynamics in Rodents

Shuai Na, Yang Zhang, Lihong V. Wang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202201104

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