近日，南方科技大学生物医学工程系奚磊教授团队成功开发出一套光声计算介观成像系统(Photoacoustic Computed Mesoscopy,PACMes)，实现了通过对小鼠完整头皮和颅骨脑皮层血管网络进行无标记的长期、高分辨率可视化成像。相关成果以“Noninvasive Photoacoustic Computed Mesoscopy for Longitudinal Brain Imaging”为题发表于Science Advances。

无创长期脑成像技术是解析大脑生理功能、探究脑疾病病理机制的关键手段，能最大程度保留动物原生生理状态，实现疾病全过程的动态监测。然而，小鼠的头皮、颅骨等复杂结构会造成光折射、强散射和超声衰减，从而严重影响成像效果。在现有技术中，提升分辨率往往需要进行去头皮、磨薄颅骨甚至植入颅窗等侵入性操作，这容易引发颅内压变化、机械损伤等问题；无创成像技术，如近红外II区荧光成像存在荧光光漂白和代谢清除问题，超声定位显微镜需要反复注射微泡造影剂，光声计算层析成像则受限于低频超声的衍射极限，难以实现长期无创高分辨率成像。

研究团队提出了全新的PACMes成像策略，通过近红外光学激发、低频声学检测、计算重建三大维度的协同优化，构建了一体化的无创光声成像系统。该系统创新性整合了近红外聚焦线光多角度扫描、5MHz低频全环形超声换能器阵列和复合重建算法，利用近红外聚焦线光在垂直于线光长度方向维持高光学分辨率的同时最大化激发效率，实现了对完整头皮和颅骨的高效穿透，降低光散射干扰；通过低频全环形换能器阵列实现了光声信号的高灵敏度全视角检测，大幅降低了生物组织的声衰减影响；通过开发滤波反投影与光声信号光学定位的复合计算重建算法，不仅突破了低频超声在平行线光长度方向的衍射极限，还实现了背景伪影的有效抑制，最终达成全视野各向同性高分辨率成像。经系统测试，PACMes无需外源性造影剂，即可实现完整头皮与颅骨直径13mm视野(覆盖小鼠全大脑皮层)成像，空间分辨率达33μm，且支持长达5个月以上的连续监测。团队还设计了速度校准与坐标校准双模型，并结合深度学习自监督恢复算法，将所需扫描角度从180个缩减至18个，成像速度提升了10倍，同时有效抑制了由组织声速不匹配引发的伪影，提升了图像的结构保真度。

图1.光血栓形成诱导的小鼠缺血性脑卒中脑血管系统的长期监测

研究团队在脑卒中和脑胶质瘤两种经典脑疾病模型小鼠上开展了长期成像研究。在轻度缺血性中风模型中，团队利用该系统实现了超5个月的动态监测，清晰捕捉到梗死区血管密度先升后降再恢复基线的完整变化过程，并在无创条件下观测到造模后72小时梗死区新生侧支循环的关键病理特征，为卒中后的血管修复机制研究提供了直接的可视化证据。在脑胶质瘤模型中，PACMes系统成功追踪到肿瘤生长过程中血管形态扭曲以及矢状窦受压变形等典型病理表现，其成像结果与核磁共振（MRI）检测、组织病理染色结果高度吻合，达成了肿瘤血管重构的无创全程监测。

图2.对小鼠脑内神经胶质瘤的长期监测

该研究的核心优势在于实现了无创、无标记、高分辨率的长期脑皮层血管成像，相较于现有技术，无需对实验动物进行侵入性操作，也无需注射外源性造影剂，避免了造影剂代谢负担和光漂白对长期成像的影响，为脑疾病的慢性病程监测提供了理想工具。未来，结合更高数值孔径物镜和多光谱激发策略，PACMes技术还可实现毛细血管级别的全脑功能成像，并进一步拓展至血氧、脂质等多参数的脑代谢监测，为阿尔茨海默病、癫痫等更多脑血管相关疾病的病理机制研究和治疗效果评估开辟了新的技术路径。

南方科技大学为论文第一单位与通讯单位，生物医学工程系博士生阮士杰、秦伟、李林阳为共同第一作者，奚磊教授为通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、深圳市医学科学院、国家自然科学基金、深圳科技创新委员会等多个项目的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea1602

供稿：生物医学工程系

制图：阮士杰

通讯员：肖然

编辑：任奕霏