自 1990 年問世以來，血氧水平依賴(blood-oxygen-level-dependent, BOLD)成像(功能性磁共振成像 (fMRI) 的主要形式)一直是非侵入性腦功能成像的支柱。7T MRI係統可以實現亞(ya) 毫米/亞(ya) 秒的時空分辨率，但重量超過 20噸，成本超過6百萬(wan) 美元。此外，MRI不適用於(yu) 具有鐵磁植入物或幽閉恐懼症的患者，並且由於(yu) 操作噪音大而難以忍受。核醫學神經成像方法(PET和SPECT)可以對神經代謝進行成像，但它們(men) 通常具有較差的時間分辨率，並且受到使用放射性同位素的限製。腦電圖、腦磁圖和功能性近紅外光譜可以提供較高的時間分辨率，但空間分辨率較差且缺乏解剖(anatomical )信息。盡管已經通過囟門(fontanelles)在人類新生兒(er) 大腦中證明了功能性超聲成像，但它僅(jin) 限於(yu) 相對較小的冠狀視場(FOV)，並且由於(yu) 多普勒效應的角度依賴性，其對平行於(yu) 探頭表麵的血流不敏感。
博覽：2021 Nat Biomed Eng 人腦大規模並行功能光聲斷層成像
技術背景：
自 1990 年問世以來，血氧水平依賴(blood-oxygen-level-dependent, BOLD)成像(功能性磁共振成像 (fMRI) 的主要形式)一直是非侵入性腦功能成像的支柱。7T MRI係統可以實現亞(ya) 毫米/亞(ya) 秒的時空分辨率，但重量超過 20噸，成本超過6百萬(wan) 美元。此外，MRI不適用於(yu) 具有鐵磁植入物或幽閉恐懼症的患者，並且由於(yu) 操作噪音大而難以忍受。核醫學神經成像方法(PET和SPECT)可以對神經代謝進行成像，但它們(men) 通常具有較差的時間分辨率，並且受到使用放射性同位素的限製。腦電圖、腦磁圖和功能性近紅外光譜可以提供較高的時間分辨率，但空間分辨率較差且缺乏解剖(anatomical )信息。盡管已經通過囟門(fontanelles)在人類新生兒(er) 大腦中證明了功能性超聲成像，但它僅(jin) 限於(yu) 相對較小的冠狀視場(FOV)，並且由於(yu) 多普勒效應的角度依賴性，其對平行於(yu) 探頭表麵的血流不敏感。
光聲斷層成像(photoacoustic computed tomography, PACT)通過檢測源自內(nei) 源性血紅蛋白 (haemoglobin,Hb) 通過脈衝(chong) 光吸收受熱膨脹產(chan) 生的超聲波無創地重建血管係統，因此可以基於(yu) 神經血管耦合對神經活動進行成像。與(yu) BOLD fMRI相比，PACT對脫氧血紅蛋白 (deoxyhaemoglobin,HbR) 和含氧血紅蛋白 (oxyhaemoglobin,HbO2 ) 均直接敏感。在過去的二十年中，PACT已在血管學(angiology)、腫瘤學(oncology)、胃腸病學 (gastroenterology)、心髒病學(cardiology)和神經病學(neurology)領域得到国产成人在线观看免费网站。
當前不足：
當前人腦的PACT尚未實現。現有的全景二維PACT 係統無法區分來自大腦和上覆組織的信號。此外，三維（3D）係統要麽(me) 太慢而無法克服運動偽(wei) 影並捕獲快速的功能信號，要麽(me) 不夠靈敏，無法檢測到細微的血液動力學變化。
文章創新點：
基於(yu) 此，美國加州理工學院的Shuai Na(第1作者)和Lihong V. Wang(通訊作者)等人提出了一個(ge) 由 1,024 (1K) 個(ge) 並行超聲換能器陣元(element)組成的體(ti) 內(nei) 3D 功能性人腦 PACT 係統，稱為(wei) 1K3D-fPACT。通過複製運動功能和語言的標誌性 fMRI 任務，對接受偏側(ce) 顱骨切除術的患者進行功能成像。記錄的功能激活針對 7T fMRI結果進行驗證，並通過重複測量進行自我驗證。通過對一名植入金屬的患者進行成像，展示了 1K3D-fPACT在MRI耐受性不佳的人群中的使用。總的來說，在其起步階段，所提出的技術展示了與(yu) 當前用於(yu) 人腦血管係統和功能成像的黃金標準相當的結果。
原理解析：
（1）整體(ti) 構成。如圖1a、b 所示，1K3D-fPACT 由五個(ge) 主要部分組成:一個(ge) 雙波長（1,064 nm 和 694 nm）激光模塊，用於(yu) 激發具有HbO2 和 HbR 對比的 PA(photoacoustic) 波；四個(ge) 含256個(ge) 陣元的四分之一環超聲換能器陣列均勻分布在半球碗上，全景記錄PA信號；一對一映射信號放大和數據采集 (DAQ) 係統，用於(yu) 放大和數字化 PA 信號；提供方位角采樣的掃描機製；頭部支撐和高度可調的床以符合人體(ti) 工程學原理的方式穩定頭部。
（2）1K3D-fPACT工作機製。如圖2所示，一個(ge) 調Q Nd:YAG 激光器（Quanta-Ray PRO-350-10，Newport Spectra-Physics, Ltd.）和一個(ge) 調Q紅寶石激光器（QSR9，Innolas UK, Ltd.）分別在 1064 nm 和 694 nm交錯激發脈衝(chong) 。激光束被部分反射到光電二極管(DET36A，Thorlabs，Inc.)以對脈衝(chong) 能量波動進行采樣。生成的 PA 信號由四個(ge) 含256個(ge) 陣元的四分之一環超聲換能器陣列（由 Imasonic, Inc. 設計和定製）記錄，並由 1024 個(ge) 定製的一對一映射前置放大器放大，增益為(wei) 51dB。四個(ge) 12位256通道可編程DAQ(LEGION ADC256，PhotoSound Technologies, Inc.)，設置成20-MHz 采樣率、6-dB 增益和 7.5-MHz 模擬抗混疊(anti-aliasing)截止頻率，數字化放大PA信號並通過四個(ge) USB 3.0 端口將它們(men) 傳(chuan) 輸到計算機。該係統由內(nei) 部開發的軟件控製，該軟件使用 Python 3.7.0、LabVIEW 2018（National Instruments, Corp.）和 MATLAB 2018b（MathWorks, Inc.）進行編程。通過數字 I/O 將掃描參數和刺激範式(stimulation paradigms)發送到控製和同步模塊來設置掃描機製。
（3）1K3D-fPACT 基礎設施和在其上成像的對象。如圖3所示，a，壓合支架和張緊的 PVC 薄膜在六個(ge) 自由度內(nei) 支撐和約束頭部，非常大限度地減少運動偽(wei) 影並提供持久的舒適度。b，半球碗換能器陣列由四個(ge) 含256陣元的四分之一環陣列組成。光回收器(light recycler)表麵上的凸麵鏡用於(yu) 幫助將拍攝對象的頭部對準視場中心，以獲得z大的照明效率。c, 前端電子設備和 DAQ 位於(yu) 頂部麵板下方。換能器、前置放大器和 DAQ 通過插入式接口相互連接，以避免電纜引起的電噪聲。底部框架下的掃描電機和光學組件（反射鏡、光束采樣器和光電二極管）未顯示。
視頻1：參與(yu) 者 1 在執行手指敲擊任務時被1K3D-fPACT成像
視頻2：參與(yu) 者1在7T MRI和1K3D-fPACT上獲得的血管造影結構和功能圖的比較
視頻3：參與(yu) 者3在7T MRI和1K3D-fPACT上獲得的血管造影結構和功能圖的比較
參考文獻：Na, S., Russin, J.J., Lin, L. et al. Massively parallel functional photoacoustic computed tomography of the human brain. Nat Biomed Eng (2021).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-021-00735-8
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