Nature biomedical engineering | 加州理工学院&清华北大团队联合研究：人体旋转超声与光声断层扫描成像

在临床影像检查中，MRI 能提供细腻的组织结构，但设备昂贵、检查耗时；CT 成像速度快，却伴随电离辐射风险；超声安全便捷、普及率高，但常规探头视野有限、三维成像成本高，难以一次性覆盖完整器官。

光声断层成像（PAT）凭借血红蛋白吸收，可无造影剂清晰显示血管，却缺乏基于声波散射的软组织形态对比度。而单纯超声虽能呈现组织结构，在大视野三维全景成像上，要么依赖昂贵的半球阵列，要么分辨率各向异性，难以兼顾成本与性能。

如何让看结构与看血管合二为一，同时做到安全、无创、低成本、大视野、高速呢？这项研究给出了全新答案 —— 将旋转超声与光声成像融合，用一套系统实现双模态优势互补。

RUS-PAT 的核心创新在于打造了高度兼容、低成本、可旋转的一体化成像架构。系统主要由四部分构成：单阵元超声发射模块、激光照明模块、旋转弧形超声探测阵列、信号采集与三维重建系统。RUST 与 PAT 共用同一套探测硬件，只需快速切换声源与光源，即可完成双模态成像。

图1：RUS‑PAT 系统示意图。RUS‑PAT 可工作于RUST 模式与PAT 模式。在 RUST 模式下，单阵元超声换能器与旋转步进电机同轴安装在弧形探测阵列的中心交汇处。在 PAT 模式下，弧形探测阵列的中心交汇处替换为带镜筒的定制匀光扩散器，取代 RUST 模式中的超声换能器。RUST 与 PAT共用同一套探测模块，包括弧形阵列、前置放大器、数据采集模块（DAQ）及处理系统。

这套 RUS-PAT 系统在性能上实现了全面突破，经体模与在体实验严格验证：

· 成像视野：直径达10 cm，可覆盖头部、乳腺、手、足等关键部位；

· 空间分辨率：约 400 μm 各向同性，远优于传统临床超声的不均一分辨率；

· 成像速度：单模态仅需10 秒，可一次屏息完成采集；

· 血管检测能力：可分辨直径0.6 mm 左右的微血管；

· 穿透深度：超声模式约5 cm，光声模式约3.2 cm，满足浅层与中层组织成像需求；

· 安全合规：无电离辐射、无需外源性造影剂，声学与光学参数均符合 FDA 与 ANSI 安全标准。

体模实验显示，系统在整个成像视野内分辨率与灵敏度均匀性优异，信噪比变化小，保证了临床成像的稳定性与可靠性。

研究团队在7 名受试者身上完成系统性在体成像，覆盖头部、乳腺、手、足四大关键部位，展现出明确临床应用潜力。

1.颅脑成像

对去骨瓣减压患者头部成像，RUST 清晰显示头皮与大脑皮层边界，PAT 呈现完整脑血管网络，可识别手术缝合区域，为脑损伤、脑血管病评估提供新手段。

2.乳腺成像

在健康志愿者中实现全乳三维成像，RUST 呈现从皮肤到胸壁的完整软组织结构，PAT 清晰显示深浅层血管分布，未来可用于乳腺癌早期筛查、肿瘤定位与血管评估。

3.肢体成像（手）

完整呈现手掌、手指、手背的肌肉、骨骼结构与血管网络，可用于肢体损伤、外周血管病变、生物特征识别等场景。

4.足部成像（糖尿病足）

成功识别糖尿病足溃疡区域，RUST 显示组织形态异常，PAT 显示局部血管病变，为糖尿病足的早期检测、病情监测与个性化治疗提供客观依据。

对比实验表明，RUSPAT 在大视野、分辨率、双模态信息完整性上，显著优于传统线阵超声与多普勒超声。

图3：人手与足部的 RUSPAT 成像结果。a. RUST 模式手部最大振幅投影（MAP）图像b. PAT 模式手部最大振幅投影（MAP）图像。图像尺寸：10.0 cm × 10.0 cm × 1.5 cm。c. RUST 模式左脚足背最大振幅投影（MAP）图像；白色箭头指示足部跖骨区域。d. PAT 模式左脚足背最大振幅投影（MAP）图像。e. RUST 模式受伤右脚足背最大振幅投影（MAP）图像。f. PAT 模式受伤右脚足背最大振幅投影（MAP）图像。图 e、f 中白色箭头与白色虚线轮廓表示足部伤口位置；照片中的白色方框为对应足部成像区域。