导读

心血管疾病仍是全球范围内主要致死原因。因此，亟需无创、高时空分辨率的心脏成像技术。传统体积光声断层扫描方法在小鼠心脏成像中存在的光传输不均、穿透深度有限、视野狭窄等核心瓶颈。近日，来自苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院的Daniel Razansky教授团队，首次展示了一种用于小鼠全心脏动态无创成像的新型体积光声断层扫描（VOT）方法，通过优化的六边形光传输设计和200 volumes/s的超快成像速度，解决了现有VOT系统光传输不均、穿透深度不足以及视野（FOV）有限的问题；此外，该系统采用第二近红外窗口（NIR-II，1064nm激发）相结合的方式降低血红蛋白吸收，进一步提升穿透深度；团队还利用基于聚乙二醇包覆硫化铜（PEG-CuS）纳米颗粒增强图像对比度，实现了小鼠全心脏动态的无创成像。

该工作以“ Toward noninvasive optoacoustic imaging of whole-heart dynamics in mice ” 为题，发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

心血管疾病仍是全球主要首要死因之一，早期心脏异常诊断至关重要，因此需开发用于早期诊断心脏异常的无创体内成像技术。现有技术中，操作便捷且时间分辨率极高的脉冲回波超声（US）技术，存在3D动态成像时需逐行采集或多帧合成，实际视野（FOV）有限的问题；磁共振成像（MRI）技术的软组织对比度好，能清晰显示心脏解剖细节，但时间分辨率低，无法实时捕捉快速搏动，需依赖门控采集技术才能解析心脏动态；计算机断层扫描（CT）技术空间分辨率高，能显示心脏钙化、血管形态等细节，但时间分辨率低，无法实时成像，需门控采集才能捕捉心脏动态，且存在电离辐射；

以及近年来的光声断层成像（VOT）技术兼具光学（基于光吸收）对比度、优异的时空分辨率以及其他光学成像技术无法实现的厘米级穿透深度等优势，展现出良好的应用前景。但由于向胸腔区域传输的光线分布不均，导致成像穿透深度降低、视野受限，且定量分析能力受损。

创新研究

VOT系统设计

传统VOT多采用单光束或非优化多光束照明，导致激光能量集中于中心区域、外周、深部组织光照不足，团队针对此问题，如图1，通过射线追踪模拟优化7个光纤束臂的位置与方向，其中1个插入换能器中心孔，6个外周均匀排列形成六边形分布，实现了小鼠胸腔8mm直径区域的均匀照明，将成像深度从9.5mm提升至14.45mm，有效FOV扩展至～1cm³，能够覆盖小鼠全心脏。

图1：为小鼠无创全心脏成像设计的六边形光传输的VOT系统。

团队通过对比单光束照明与多光束照明的成像性能，如图2，多光束照明下可清晰勾勒出左/右心房（LA/RA）、左/右心室（LV/RV）等解剖结构，还能辨识主动脉瓣与二尖瓣的开合状态；且多光束可清晰可视化thoracic vessels（TV，胸腔血管）及深度达～10 mm的abdominal aorta（AA，腹部主动脉），而单光束成像深度不足7 mm，AA无法辨认；随成像深度增加（d至d-2 mm），多光束的CNR始终高于单光束，且对比均匀性更优。以上均验证了多光束照明在结构显示、穿透深度及功能量化上的显著优势。

图2：小鼠体内心脏VOT成像。

NIR-II 窗口结合PEG-CuS纳米颗粒的功能增强

传统VOT多依赖NIR-I窗口（650-1000nm），但该波段中心腔内全血的血红蛋白吸收强，阻碍深部成像。NIR-II窗口（1064nm）能够使得血红蛋白吸收效率降低30%-50%；生物组织（皮肤、肌肉、血液）的光散射显著减弱，激光穿透深度进一步提升。

PEG-CuS纳米颗粒（直径9.75±4.48 nm，NIR-II吸收强）可增强对比，如图3，该方法在小鼠体内可清晰区分心脏收缩和舒张期、准确量化左心室收缩末期容积（ESV）、舒张末期容积（EDV：20.6±2.1 μL）及肺循环时间（PTT：1.765±0.195 sec），为监测心脏异常和评估治疗干预提供了有力工具。

图3：PEG-CuS纳米颗粒使小鼠心脏VOT对比增强。

总结展望

本研究针对传统VOT在小鼠心脏成像中存在的光传输不均、穿透深度有限、视野狭窄等核心瓶颈，创新性设计了六边形多光束照明系统，结合第二近红外窗口的低光衰减特性与PEG-CuS纳米颗粒的对比增强作用，成功构建了一套超高速（200 volumes/s）、无创的全心脏动态成像系统。

未来该系统可进一步应用于心肌梗死、心力衰竭、高血压性心脏病等疾病模型的长期动态监测，为评估新型心血管药物、基因治疗或介入治疗的疗效提供客观依据；同时可结合多光谱光声成像技术，实现血氧饱和度、代谢水平等多参数同步监测，深化对疾病病理机制的理解。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01992-x