星标“医工学人”，第一时间获取医工交叉领域新闻动态~
一项结合光声与超声成像的快速扫描技术，能够以前所未有的清晰度揭示肿瘤的血管网络，其显著提升的准确性有望大幅减少目前大量女性承受的不必要的穿刺活检。
在现代医学影像的殿堂里，乳腺癌的早期诊断一直是一项充满妥协的艺术。X光乳腺摄影（Mammography）在致密性乳腺组织中灵敏度不足，而超声（Ultrasonography）虽然普及，却因无法提供足够的生理学信息而特异性偏低。这种不确定性带来了一个严峻的临床现实：高达57%至86%被建议进行穿刺活检的女性，最终的病理报告却显示其肿块为良性。这不仅给患者带来了巨大的身体痛苦和心理焦虑，也给外科、病理科医生及整个医疗系统带来了沉重的负担。
近期，来自浙江大学生物医学工程与仪器科学学院林励研究员团队在顶尖期刊《科学进展》(Science Advances) 上发表的一项突破性研究，为这个困境带来了新的曙光。他们开发了一套名为“高速双模态成像系统”（High-speed dual-modal imaging system, HDMI）的光声/超声一体化成像设备。这套系统巧妙地将光与声两种物理现象融合，仅需12秒的屏息时间，即可完成单侧乳腺的全面扫描，同时呈现出精细的解剖结构和被视为癌症“指纹”的血管增生细节。在涉及170名患者的临床试验中，HDMI展现了其改变游戏规则的潜力：与传统超声相比，它将诊断的特异性从22.5%大幅提升至75.0%。
这项技术的核心是一种被称为光声断层扫描（Photoacoustic Computed Tomography, PACT）的混合成像方法。想象一下，一束极短的、对人体安全的近红外脉冲激光照射到皮肤上。组织中的天然吸光体，主要是血液中的血红蛋白，会吸收光能并瞬间产生微小的温升，进而引起热弹性膨胀，激发出超声信号。这些微弱的“声波”携带着组织光学吸收特性的“密码”，被环绕在组织周围高灵敏度的超声探测器阵列捕捉。通过对这些信号进行计算机重构，科学家就能计算绘制出一幅详细的血管分布图。
为何血管如此重要？因为血管生成（Angiogenesis）——即肿瘤为了满足其失控生长所需的养分而刺激周围血管异常增生的过程——是癌症的标志性特征之一。恶性肿瘤周围的血管网络通常呈现出密集、扭曲和杂乱的形态。传统影像技术难以清晰捕捉这些微小的血管细节，而PACT技术正好填补了这一空白。
更巧妙的是，用于接收光声信号的超声探测器阵列，本身也可以主动发射超声脉冲并接收回波，这就是传统的超声成像。HDMI系统的设计者们将PACT与超声反射模式断层扫描（URCT）无缝集成在同一套硬件中。这意味着在同一次扫描中，医生既能得到一张显示肿块形态、边界和内部回音的“解剖地图”（来自URCT），又能得到一张揭示其血供情况的“功能地图”（来自PACT）。
过去的光声乳腺成像系统，往往受制于成像速度慢、穿透深度有限和操作依赖性强等瓶颈。而HDMI系统通过一系列创新设计，成功克服了这些障碍。
它采用了512通道的数据采集系统和同等阵元的超声阵列，能够在百分之一秒内完成单个横断面的“快照”成像，有效降低了心跳或轻微身体移动造成的运动伪影。随着扫描床平稳移动，仅需12秒即可完成对整个乳腺的扫描，提供完整的三维图像。其穿透深度高达5厘米，足以覆盖绝大多数乳腺组织，甚至能清晰显示胸壁内的深层血管。
图2：HDMI对健康志愿者的成像效果。 (A) 实时获取的URCT（左）和PACT（右）乳腺横断面图像，清晰展示了脂肪、腺体组织和胸壁结构，以及细至0.2毫米的血管。(B) PACT三维血管网络的投影图，颜色编码代表血管距皮肤表面的垂直距离。(C) 同一乳腺的URCT 图像，显示了冠状面1 毫米厚横截面的组织结构。(D) PACT和URCT共同揭示了距离皮肤表面深达5 厘米的血管。在 PACT 图像中，可根据其管状结构以及分支或蜿蜒形态来识别血管。(E) 在距离皮肤表面不同深度处测量的、表观直径 < 0.4 毫米的血管的信噪比。
在临床应用中，这种能力可转化为精细的洞察力。恶性肿瘤在HDMI图像中呈现出典型的特征：URCT图像显示其形态不规则、内部回声、边界模糊，而PACT图像则揭示了肿瘤内部及周边区域密集、缠绕的血管网络。相比之下，良性肿瘤的形态更为规整，周边的血管增生也较少。
图4：恶性与良性肿瘤病例的影像对比。 上方三例为恶性肿瘤，下方三例为良性肿瘤。(A, E) PACT横断面图像。(B, F) 对应的URCT横断面图像。(C, G) PACT冠状面投影图像，清晰显示了肿瘤区域（白框）内血管的显著差异。恶性肿瘤（上排）普遍表现出更为密集和混乱的血管增生。(D, H) PACT与URCT的融合图像，红色热图代表血管分布，叠加在灰阶的超声解剖结构上。
仅有清晰的图像还不够，如何将这些丰富的信息转化为客观、可量化的诊断依据，是决定一项技术能否真正走向临床的关键。研究团队开发了一套基于卷积神经网络（CNN）的计算机辅助诊断模型。他们从PACT和URCT图像中提取了11个具有统计学显著差异的关键特征，涵盖了血管数量、血管长度比、血管分布异质性、肿瘤形态因子等多个信息维度。
在对84个肿块进行的“三盲”测试中，这个模型表现出色。临床超声的诊断结果是：为了准确定义所有44个恶性肿瘤，需要将40个良性肿瘤中的31个（77.5%）也标记为可疑并建议活检，特异性仅为22.5%。而HDMI在仅漏掉1个恶性肿瘤（灵敏度97.7%）的前提下，成功将40个良性肿瘤中的30个（75%）正确识别为良性，将不必要的活检率降低了52.5%。
这项研究的意义远不止于发表一篇高影响力的论文或开发一台新颖的仪器。它代表了医学影像领域一个重要的范式转变：从单纯的形态学观察，迈向形态与功能信息的深度融合。
-
对患者的直接影响： HDMI技术潜在贡献在于显著减少良性乳腺肿瘤患者的过度诊断和过度治疗。穿刺活检不仅是生理上的创伤，更是心理和经济上的负担。能够安全、无痛、无辐射地将大部分良性病例从“疑似”的灰色地带中解放出来，是对患者福祉的巨大提升。
-
对临床工作流的重塑： 目前，大量的活检手术占用了外科医生和病理科医生宝贵的时间和资源。HDMI有望成为一个强大的分诊工具，在活检之前进行更精准的风险分层，使医疗资源能够更集中地用于真正高风险的患者，从而优化整个乳腺癌诊断流程的效率。
-
技术的成熟与挑战： HDMI的研制并非偶然，它建立在研究团队在光声成像领域十数年的耕耘之上，并通过巧妙的系统工程解决了深层成像、运动伪影和标准化扫描等一系列棘手的临床转化难题。它没有追求单一指标的极致，而是在成像速度、深度、解析度和双模态融合之间找到了一个巧妙的平衡点。然而，从原型机到大规模临床应用的道路依然漫长，未来需要更大规模、多中心的前瞻性临床试验来验证其稳定性和普适性。此外，设备的成本控制、操作人员的培训以及与现有医院信息系统（HIS）的数据整合，也将是其能否普及的关键因素。
-
未来的想象空间： 这篇论文还留下了一个有趣的伏笔：研究人员在患者的“健康”对侧乳腺中，也观察到了比健康志愿者更为活跃的血管生成现象。这是否暗示着某种全身性的、与癌症风险相关的生理状态？这为未来的研究开辟了全新的方向。此外，凭借其高速、无创、可重复的优势，HDMI不仅可用于早期诊断，更有潜力用于监测新辅助化疗的疗效，实时评估肿瘤血管对治疗的反应，为个体化精准治疗提供影像学依据。
高速多通道开放式超声科研平台
HDMI的核心模块包含多通道高速数据采集卡，林励研究员组建的产业化团队首先研制了多通道采集卡，并进一步研制了具备超快超声成像能力的多通道超声科研平台，能够在提供原始数据的同时，自主设置各通道发射参数，以可靠的产品形态进入市场。在此基础上，该团队小型化了HDMI，使其操作更为灵活，探头选择更为多样，并将超快超声与光声成像一体化整合，融合超快超声模态在组织结构、弹性、血流的测量能力与光声模态在微小血管、血氧饱和度、外源性探针的成像优势。
论文作者介绍
[1] Keer Huang et al.,High-speed photoacoustic and ultrasonic computed tomography of the breast tumor for early diagnosis with enhanced accuracy.Sci. Adv.11,eadz2046(2025). DOI:10.1126/sciadv.adz2046
END
撰文 | 刘帅
编辑 | 员蓉
审核 | 医工学人理事会
扫码加入医工学人，进入综合及细分领域群聊，参与线上线下交流活动
推荐阅读
npj flexible electronics | 青岛大学研发MXene柔性可穿戴传感器，像一张创可贴精准预测实时血压
点击关注医工学人
本篇文章来源于微信公众号: 医工学人
