导语

光声断层成像（PACT）兼具光学功能对比与超声空间分辨率，能够在深层组织中实现高分辨的结构与功能成像。然而，PACT在软组织对比度、定量准确性和成像深度等方面仍存在固有局限。

近日，广东医科大学张双阳副教授与南方医科大学戚力教授团队在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》上发表了一篇系统综述，全面总结了PACT与超声、磁共振、光学成像（荧光、OCT、拉曼）以及放射影像（CT、SPECT/PET）等多模态融合技术的原理、硬件集成、图像配准、探针设计及典型应用。该综述为研究者深入理解多模态PACT、推动临床转化提供了重要参考。

图1：PACT成像原理图

Huiting Wen, Wufan Chen, Li Qi, and Shuangyang Zhang.Multimodal photoacoustic computed tomography technology and applications. Journal of Innovative Optical Health Sciences Online Ready Open Access

https://doi.org/10.1142/S1793545826300090

正文

一、为什么需要多模态PACT？

PACT虽能通过血红蛋白等内源性对比剂实现高对比度的血管成像和血氧饱和度定量，但在以下方面仍有不足：

●软组织解剖对比度低：难以单独提供清晰的解剖参考；

●光通量衰减影响定量：深层组织信号被压低，影响吸收系数反演；

●声学不均一性带来伪影：传统均匀声速假设导致图像畸变；

●成像深度与分辨率存在权衡：难以同时满足深层与微细结构成像需求。

多模态融合策略通过引入其他成像模态的互补信息，有效弥补了上述短板，实现“功能+结构+分子”的多维度信息整合。

二、PACT+超声：最成熟的融合范式

PACT与超声共享同一换能器阵列，通过电子切换实现快速交替采集，确保统一的成像视野。代表性进展包括：

●多节段阵列探头：同时实现多光谱PACT、脉冲回波超声和彩色多普勒成像（图2A）。

●TROPUS平台：结合透射与反射式超声断层成像，利用声速图改善光声重建（图2B）。

●SVOPUS系统：螺旋体积光声与超声断层成像系统，实现小鼠全身高分辨率三维成像。

●临床应用：在类风湿关节炎、系统性硬化症、乳腺癌、甲状腺结节等领域展现出优异的诊断价值。

图2：PACT-US多模态成像示例

三、PACT+MRI：功能与解剖的精准对齐

MRI提供高分辨率、优异软组织对比的解剖图像，同时可获得T1/T2弛豫、弥散、BOLD等多参数信息。融合方式包括：

●图像配准：从早期的手动标记点法，发展到互信息自动配准，再到深度学习端到端融合（如图4所示）。

●同步成像系统：在9.4T高场MRI内集成非磁性球形超声阵列，实现同步采集（图5）。

●应用价值：在小鼠脑成像中，PACT提供的HbO/HbR信号与BOLD-fMRI形成互补，揭示神经血管耦合机制；在肿瘤模型中，MRI辅助PACT光通量校正，显著提升图像质量。在器官成像中，PACT经MRI验证用于肾纤维化、肝脏脂肪变性及纤维化的无创检测。

图4：MRI-PACT图像配准流程

图5：混合磁共振-光声断层成像系统

四、PACT+光学成像：从宏观到微观的多尺度融合

1.PACT+荧光成像（FI）

PACT提供深层组织中的探针分布与血液动力学信息，FI则在浅层提供高灵敏度、高特异性的分子动态监测。典型应用包括：

●神经科学：FLOT系统同时采集全脑钙信号（GCaMP6f）与血液动力学响应（图7），揭示神经活动与血流变化的关联。

●肿瘤手术导航：术前PACT三维定位，术中FI实时引导边界切除。

●动脉粥样硬化与淋巴成像：利用ICG等近红外探针实现双模态成像。

图7：钙信号与血流动力学同步成像

2.PACT+OCT

OCT提供微米级浅层形态结构（如皮肤分层、胶原纤维），PACT补充深层血管分布（3–5 mm）。融合系统已成功应用于：

●皮肤疾病（如不同种类皮炎、蜘蛛痣）的在体成像（图8A）；

●动脉粥样硬化斑块评估：PACT识别脂质核心，OCT显示胶原纤维结构（图8B）。

图8：PACT-OCT皮肤与血管成像

3.PACT+拉曼成像

拉曼光谱提供“分子指纹”级的特异性检测，但穿透深度浅。PACT提供深层靶标定位，拉曼验证表面分子信息。双模态金纳米星探针在小鼠胶质母细胞瘤模型中，成功实现了肿瘤边界的精准描绘。

图9：光声校正拉曼信号衰减的仿体验证

五、PACT+放射影像：结构定位与代谢追踪

1.PACT+CT

CT提供全身高分辨率解剖定位，PACT提供功能与分子信息。金纳米颗粒、CsₓWO₃纳米棒等双模态探针，在小鼠模型中实现了CT/PACT双模态引导的光热/光动力治疗。

2.PACT+SPECT/PET

SPECT/PET提供高灵敏度的代谢与分子信息，PACT提供高分辨定位。⁶⁴CuS纳米颗粒、¹⁸F标记的克罗康宁染料等探针，成功实现了前哨淋巴结定位与脑内Aβ斑块的多模态成像。

图11：PACT/PET/NIR三模态脑斑块成像

六、总结与展望

多模态PACT技术正从“分时采集、图像配准”向“同时采集、硬件深度融合”发展。深度学习方法（如无监督配准、联合重建网络）正在大幅提升融合效率。然而，向临床转化仍需克服以下挑战：

●系统集成复杂度高：特别是MRI-PACT同步系统需要严格的电磁兼容设计；

●探针安全性与审批：多数双模态探针仍处于动物实验阶段，长期毒性尚不明确；

●大规模临床验证缺乏：目前仅有少数PACT-US系统进入早期人体可行性研究。

结语

多模态PACT通过将光声的功能分子信息与超声/MRI/CT的解剖结构信息、光学成像的高分辨分子特异性、核医学的高灵敏度代谢信息深度融合，正在推动生物医学成像从“单维度”走向“多参数、跨尺度”的新阶段。本综述为该领域的初学者与深耕者提供了一幅清晰的技术路线图，也指出了通往临床落地的关键路径。

通讯作者简介

张双阳，广东医科大学生物医学工程学院副教授。主要研究方向包括：光声断层成像、磁共振成像、脑功能成像等。

更多详情见https://swyxgc.gdmu.edu.cn/info/1181/17398.htm

戚力，南方医科大学生物医学工程学院教授。主要研究方向包括：光声断层成像、光学相干断层成像、生物医学光学图像分析等。

更多详情见https://portal.smu.edu.cn/swyxgcxy/info/1020/1188.htm

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