在发表在《自然生物医学工程》上的研究中，该团队展示了他们的技术可以向医生实时提供光声断层扫描 （PAT） 成像扫描，为他们提供准确而复杂的血管图像，帮助为患者护理提供信息。

光声断层扫描成像使用激光产生的超声波来观察人体组织中小于毫米尺度的静脉和动脉深达 15 毫米的细微变化（疾病的早期标志）。

然而，到目前为止，现有的 PAT 技术速度太慢，无法生成足够高质量的 3D 图像供临床医生使用。

在 PAT 扫描期间，患者必须完全静止，这意味着在较慢的扫描过程中的任何移动都会导致图像模糊，因此不能保证图像在临床上有用。

较旧的 PAT 扫描仪需要 5 分钟以上的时间来拍摄图像 - 通过将时间缩短到几秒钟或更短，图像质量得到了很大提高，并且更适合体弱或身体虚弱的人。

研究人员表示，这种新型扫描仪可以在三到五年内帮助诊断癌症、心血管疾病和关节炎，但需要进一步测试

通讯作者 Paul Beard 教授（伦敦大学学院医学物理学和生物医学工程以及 Wellcome/EPSRC 介入和外科科学中心）说：“近年来，我们在光声成像方面取得了长足的进步，但在临床中使用它仍然存在障碍。

“这项研究的突破是加快了采集图像所需的时间，比以前的扫描仪快 100 到 1000 倍。

“这种速度避免了运动引起的模糊，提供了其他扫描仪无法提供的高度详细的图像质量。这也意味着可以实时获取图像，而不是花费 5 分钟或更长时间，从而可以可视化动态生理事件。

“这些技术进步使该系统首次适合临床使用，使我们能够了解人类生物学和疾病的方面，这是我们以前无法做到的。

“现在需要对更多的患者群体进行更多研究来证实我们的发现。”

Beard 教授补充说，新扫描仪的一个关键潜在用途是评估炎症性关节炎，这需要扫描双手的所有 20 个手指关节。他说，使用新的扫描仪，可以在几分钟内完成这项工作——旧的 PAT 扫描仪需要将近一个小时，这对于年老、体弱的患者来说太长了。

在患者身上测试扫描仪

在这项研究中，该团队在 10 名 2 型糖尿病、类风湿性关节炎或乳腺癌患者以及 7 名健康志愿者的临床前测试中测试了扫描仪。

在三名 2 型糖尿病患者中，扫描仪能够生成足部微血管系统的详细 3D 图像，突出血管的畸形和结构变化。扫描仪用于可视化与乳腺癌相关的皮肤炎症。

伦敦大学学院医学影像学副教授兼伦敦大学学院放射学顾问医师、该研究的资深作者安德鲁·普拉姆布 （Andrew Plumb） 说：“糖尿病患者经常遭受的并发症之一是由于这些区域的微小血管受损，导致四肢（例如脚和小腿）血流量低。但到目前为止，我们还无法确切地看到是什么导致了这种损害或描述它是如何发展的。

“在我们的一位患者中，我们可以看到左脚光滑、均匀的血管，而右脚的同一区域则看到变形、弯曲的血管，这表明未来可能导致组织损伤的问题。光声成像可以为我们提供更详细的信息，以促进早期诊断，并更普遍地更好地了解疾病进展。

光声断层扫描

自 2000 年早期开发以来，PAT 长期以来一直被认为有可能彻底改变我们对生物过程的理解并改善癌症和其他主要疾病的临床评估。

它使用光声效应工作，当材料吸收光并产生声波时，就会发生光声效应。

PAT 扫描仪的工作原理是向生物组织发射非常短的激光爆发。根据目标的颜色，其中一些能量被吸收，导致热量和压力略有增加，进而产生包含组织信息的微弱超声波。整个过程只需几分之一秒即可完成。

在早期的研究中，伦敦大学学院的物理学家和工程师（由 Beard 教授领导）发现，可以使用光来检测超声波。

在 2000 年代初期，他们开创了一种系统，其中声波会导致塑料薄膜厚度的微小变化，这可以使用高度调谐的激光束进行测量。

结果揭示了以前从未见过的组织结构。

PAT 如何协助疾病检测

对于某些疾病，如糖尿病的一种并发症外周血管疾病 （PVD），使用 MRI 扫描等常规成像技术无法看到表明该疾病的微小血管变化的早期迹象。

但通过 PAT 图像，他们可以——在组织受损之前提供治疗潜力，并避免伤口愈合不良和截肢，论文称。它补充说，PVD 影响了美国和欧洲的 2500 多万人。

同样，对于癌症，肿瘤通常具有高密度的小血管，这些小血管太小而无法用其他成像技术看到。

伦敦大学学院医学物理学和生物医学工程学院的 Nam Huynh 博士与同事 Edward Zhang 博士一起开发了扫描仪，他说：“光声成像可以相对容易地用于检测和监测肿瘤。它还可用于帮助癌症外科医生通过观察肿瘤中的血管来更好地区分肿瘤组织和正常组织，帮助确保在手术过程中切除所有肿瘤并将复发风险降至最低。我可以设想它有很多有用的方式。

Huynh 博士补充说，该技术的一个关键优势是它对血红蛋白敏感。产生超声波的是血红蛋白等吸收光的分子。

改进和测试扫描仪速度

在这项研究中，UCL 研究人员试图通过减少获取图像所需的时间来克服速度问题。他们通过在扫描仪设计和用于生成图像的数学方面进行创新来实现这一目标。

与早期的 PAT 扫描仪不同，早期的 PAT 扫描仪一次测量组织表面 10,000 多个不同点的超声波，而新型扫描仪可同时在多个点检测它们，从而大大缩短了图像采集时间。

研究团队还采用了与数字图像压缩中使用的数学原理类似的数学原理。这使得能够从几千次（而不是数万次）超声波测量中重建高质量图像，再次加快了图像采集速度。这些创新将成像时间缩短到几秒钟或不到一秒，消除了运动模糊并允许拍摄组织动态变化的图像。

科学家们表示，需要对更多的患者群体进行更多研究，以确认他们的研究结果以及扫描仪在实践中的临床有用程度。

2000 年，人们迈出了开发用于医学成像的光声断层扫描技术的第一步，但这项技术的起源可以追溯到 1880 年，当时刚发明电话的前伦敦大学学院学生亚历山大·格雷厄姆·贝尔 （Alexander Graham Bell） 观察到阳光转化为可听见的声音。

2019 年，UCL 研究团队的成员创立了 DeepColor Imaging，这是一家 UCL 衍生公司，现在在全球范围内销售一系列基于 PAT 技术的扫描仪。

这项研究得到了英国癌症研究协会、工程与物理科学研究委员会、惠康、欧洲研究委员会和国家健康研究所伦敦大学学院医院生物医学研究中心的支持。