【摘要】 Li团队创新研发光纤扩散器内部照明PACT技术，突破传统5cm成像深度限制。经实验验证，可在80mm深度实现419μm分辨率，为前列腺癌经直肠筛查提供全新解决方案。

在临床场景中，深部器官（如距腹部表面>10cm的前列腺）常靠近体腔（如直肠腔仅2-3cm）。传统光声成像（PAI）因组织吸光导致穿透深度受限，而内部照明PAI技术通过体腔介入光纤，将光直接输送至靶区附近，显著提升深部器官成像能力。本文解析新型光纤扩散器设计如何实现深度>5cm的活体组织成像，为前列腺癌筛查等临床需求提供新方案。

 

技术演进：从裸光纤到扩散器照明

早期内部照明PAI依赖裸光纤或纤维护套开槽，存在光照不均匀、穿透不足等缺陷。Li团队创新性采用针状二氧化硅扩散器​（图1），实现：

1.大体积组织均匀照明

2.活体环境下>8cm成像深度验证

3.经直肠前列腺成像临床潜力验证

图1 内部照明PACT，带有定制的光纤扩散器

 

成像性能对比实验

PACT系统配置：

  • 超声探头：L7-4线性阵列（5MHz中心频率）
  • 激光源：Q-smart 850（脉宽8ns）
  • 光纤：多模定制（芯径1.5mm, NA 0.43）

深度分辨率实测​（图2）：

  • 80mm深度轴向分辨率：419μm
  • 横向分辨率：931μm
  • 信号衰减主因：高频成分损失及声波衰减

图2 内部照明PACT系统的特性。（a）人类头发深度约83 mm的PACT图像。（b）头发沿（a）中垂直白线的轴向图像轮廓。（c）毛发沿（a）中水平白线的侧位图像。（d）在1064 nm光下，将填充全牛血液的塑料管嵌入0.5%脂肪牛奶模体中的PACT图像。横轴表示纤维扩散器与血管之间的距离。（e） 1064 n时血液信号信噪比随深度变化的实测拟合（多项式模型）

 

活体验证与临床潜力

在75mm深度脂膜模型中（图3），内部照明较外部照明：

  • 红叶目标信噪比提升40%
  • 血管成像深度突破8cm（1064nm光源）
  • 适配器官：前列腺（直肠腔）、膀胱/肾脏（尿道）、肺（气管）

 

技术优化方向

1.能量提升：采用更大芯径光纤（突破23.6MW损伤阈值）

2.定向照明：半圆柱形银涂层扩散器精准导光

3.临床适配：经直肠前列腺癌筛查/术中导航

研究证实：​光纤扩散器内部照明PACT显著提升深部组织成像能力，为靠近体腔的器官诊断提供新范式。

 

参考文献：1.Li, M.;  Lan, B.;  Liu, W.;  Xia, J.; Yao, J., Internal-illumination photoacoustic computed tomography. J. Biomed. Opt. 2018, 23 （3）, 1-4.

 

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