腦科學(xué)是21世紀最具挑戰(zhàn)性的重大科學(xué)問題，其意義在于促進人類理解認知、思維、意識和語言機理，幫助診斷和治療腦疾病，被視為未來新的經(jīng)濟增長點和引領(lǐng)新科技革命的潛在引擎。

開展腦科學(xué)研究離不開先進的腦功能成像與檢測技術(shù)，其中血氧水平依賴性功能磁共振成像（BOLD fMRI）被作為非侵入式腦功能成像的主流技術(shù)在科研和臨床上得到大量應(yīng)用。然而，其造價高昂、占地龐大、缺乏分子特異性、對鐵磁性植入假體不兼容，以及需將受試者置于高噪音密閉空間等問題限制了其廣泛應(yīng)用。

近年來，光聲成像作為一種新型復(fù)合型成像技術(shù)，因其兼具光學(xué)成像的分子特異性以及超聲成像的深度和分辨率等特點，在血管造影、腫瘤診斷，以及動物神經(jīng)成像等方面得到迅速發(fā)展。同時，光聲計算斷層成像（PACT）可通過測量脫氧血紅蛋白（HbR）和氧合血紅蛋白（HbO2）濃度來量化血氧飽和度，進而提供了一種安全高效、成本低廉的功能性成像方法。然而早期的PACT系統(tǒng)受成像速度、靈敏度、視場范圍和穿透深度等因素限制，其在臨床腦成像領(lǐng)域的應(yīng)用尚處空白。

2021年5月31日，來自加州理工學(xué)院（Caltech）的Lihong V. Wang（汪立宏）科研團隊與南加州大學(xué)（USC）的Charles Y. Liu和Danny J. Wang課題組合作在Nature Biomedical Engineering雜志上發(fā)表了文章Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain。

研究人員將光聲成像理論應(yīng)用于人腦功能成像，設(shè)計了雙波長激光照射系統(tǒng)和超聲換能器陣列，研發(fā)出超低噪聲前端信號放大電路，集成了實時全通道信號采集系統(tǒng)，運用全景掃描策略，開發(fā)了分段非均勻聲學(xué)介質(zhì)自適應(yīng)重建算法，并設(shè)計了符合人體工程學(xué)的頭部穩(wěn)定裝置，成功研發(fā)出人腦三維全景快速掃描光聲層析成像儀（1K3D-fPACT）。

研究人員對數(shù)位半顱術(shù)后患者（接受了偏側(cè)顱骨切除術(shù)）進行了功能性腦成像，實現(xiàn)了在直徑10厘米視場內(nèi)，對大腦皮層以下11毫米的血管造影，同時測量了HbR與HbO2濃度功能性變化，并應(yīng)用于對運動、聽覺和語言等認知刺激任務(wù)下腦功能響應(yīng)的觀測。成像空間分辨率和時間分辨率分別達到350微米和2秒，83%靈敏度對應(yīng)的空間特異性為85%至93%，接收者操作特征曲線（ROC）下面積（AUC）為0.94。這些特征參數(shù)與相同受試者使用7T MRI成像得到的結(jié)果高度吻合，且光聲層析成像檢測到的功能響應(yīng)延時比7T MRI成像短約2秒，因此可以更準確反映神經(jīng)元活動特征，有望提高臨床腦功能檢測精度。

1K3D-fPACT系統(tǒng)示意圖。

(左) 側(cè)視圖；（右）剖面圖。

在硬件設(shè)計上，該成像系統(tǒng)使用兩種波長的脈沖激光器（分別對應(yīng)HbR與HbO2的主導(dǎo)吸收波段）用以實現(xiàn)寬場照明。超聲探測方面，該系統(tǒng)由4條1/4弧形超聲換能器陣列組成，每個陣列均勻分布了256個中心頻率為2.25 MHz的換能器，并一一對應(yīng)地連接到前置放大器與數(shù)據(jù)采集卡上。該4條環(huán)形陣列可繞球心進行共軸旋轉(zhuǎn)掃描，從而形成半球狀探測表面。根據(jù)不同成像應(yīng)用，該系統(tǒng)能以基準模式（用以實現(xiàn)350微米的各向同性空間分辨率）與功能模式（用以實現(xiàn)2秒的時間分辨率）進行掃描。

在實驗設(shè)計上，為比較1K3D-fPACT與7T BOLD fMRI的成像質(zhì)量，研究者對數(shù)位患者進行了腦部掃描。在基準模式下，1K3D-fPACT可以獲得清晰的三維血管造影，該結(jié)果經(jīng)過圖像配準后與作為金標準的磁共振血管造影（MRA）成像具有高度的空間相似性，且能獲得更為豐富的血管細節(jié)。利用功能模式進行掃描，1K3D-fPACT系統(tǒng)可以0.5 Hz的幀率實現(xiàn)腦功能區(qū)域的功能成像。針對大腦皮層的運動區(qū)域，研究者設(shè)計了三種動作功能任務(wù)（分別為連續(xù)手指敲擊、嘴唇皺起以及舌敲擊）令被試者完成。在每種動作執(zhí)行過程中，研究者分別用1K3D-fPAC和7T fMRI對被試者進行腦部成像，并記錄大腦皮層各區(qū)域在該過程中的信號強度變化。基于該時間序列，研究者通過統(tǒng)計學(xué)方法提取出大腦皮層上反應(yīng)較為劇烈的區(qū)域，并與BOLD fMRI進行對比。對比結(jié)果顯示兩種成像方法探測到的大腦皮層響應(yīng)區(qū)域具有高度相似性，從而證明了利用1K3D-fPACT進行腦部功能性成像的可行性。進一步，研究者設(shè)計了被動性聽覺任務(wù)以及無聲詞語生成任務(wù)，對被試者的語言功能中樞響應(yīng)進行了成像，結(jié)果與BOLD fMRI仍具有高度相似性。

人腦血管造影。(左) PACT血管造影；（右）MRI血管造影。

紅色所示為大腦皮層血管，綠色所示為頭皮血管。

人腦功能成像結(jié)果。

綜上所述，該研究結(jié)合高密度的超聲探測、高質(zhì)量的硬件架構(gòu)以及高穩(wěn)定性的算法設(shè)計，實現(xiàn)了對偏側(cè)顱骨切除術(shù)患者的高質(zhì)量腦功能成像。這一研究成果為更廣泛和普適的臨床腦功能光聲成像奠定了堅實的基礎(chǔ)。

據(jù)悉，本文的第一作者是加州理工學(xué)院的那帥博士，其余三位并列第一作者分別為來自USC的助理教授和腦血管外科主任Russin J. Johnathan，來自加州理工學(xué)院的林勵博士，以及現(xiàn)為清華大學(xué)博士后的袁肖赟博士。本文的通訊作者分別為來自USC的Charles Y. Liu 教授以及加州理工學(xué)院的汪立宏（Lihong V. Wang）教授。

論文信息

Na, S., Russin, J.J., Lin, L. et al. Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain. Nat Biomed Eng (2021).

據(jù)悉，本文的第一作者是加州理工學(xué)院的那帥博士，其余三位并列第一作者分別為來自USC的助理教授和腦血管外科主任Russin J. Johnathan，來自加州理工學(xué)院的林勵博士，以及現(xiàn)為清華大學(xué)博士后的袁肖赟博士。本文的通訊作者分別為來自USC的Charles Y. Liu 教授以及加州理工學(xué)院的汪立宏（Lihong V. Wang）教授。

責(zé)任編輯：lq