现代直肠癌管理正迅速发展，“观察等待”治疗策略的出现为部分直肠癌患者减少了不必要的手术切除。但目前高分辨率磁共振成像（MRI）和白光内窥镜等标准护理测试的分辨率有限，难以准确区分活动性肿瘤与治疗后水肿和纤维化，因此迫切需要能够提供准确可靠评估的成像设备。
光声（PA）成像作为一种新兴的成像模态，结合了光学对比和超声分辨率，具有深度穿透能力，可提供组织血管功能信息。声学分辨率光声显微镜（ARPAM）利用声学聚焦检测局部PA信号，分辨率可达100μm，穿透深度约为1-2cm。
来自华盛顿大学圣路易斯分校的Sitai Kou团队介绍了一种用于直肠癌成像的便携式光声显微镜和超声（ARPAM/US）系统，在癌症检测和诊断中展现出巨大潜力。
系统和控制同步
该系统包括二极管泵浦的ND：YAG激光、耦合光学器件、超声脉冲器、数据采集PC以及函数发生器等，用于实现US脉冲回波成像和PA成像。系统通过函数发生器产生的触发信号，使激光、超声脉冲器和数据采集PC同步工作，以获得共注册的US和PA图像。
成像系统结构
成像探头
探头由电机、放大器、手柄、成像头和颈部组成，其中采用了两级放大器来提高系统的信噪比。电机通过扭矩耦合器驱动成像头旋转，同时采用了特殊的设计来降低电机的噪声和防止水短路。成像头容纳了US XDC和棱镜笼，通过光纤和玻璃杆来引导光，并且在探头前部连接了声学耦合气球，以确保成像头在气球内自由旋转。
光学耦合设计
光学耦合对于保证系统在临床空间内的稳定性至关重要。该系统通过使用激光线基本镜、望远镜系统、薄光学窗口和光束陷阱等组件，来调整激光束方向、减小激光直径、降低光功率并确保激光安全。最终测量得到的激光RMS脉冲间变化为2.1%，探头和光学耦合笼系统的耦合效率分别为80%和49%。
光功率模拟和测量
系统使用Zemax OpticStudio软件对成像系统进行模拟。在模拟中，考虑了激光入口直径、透镜位置、光纤特性等因素，以准确计算光功率在系统中的传输和耦合效率。在测量过程中，使用专门的激光功率和能量计测量系统在实际运行中的光功率输出，并与模拟结果进行对比，以验证系统的性能。
超声模拟和表征
根据US XDC的尺寸、中心频率和焦点等参数进行超声传输场的模拟。采用K-wave超声模拟软件，通过轴对称模拟来高效地展示2D声学传输场。通过平移直径7μm的碳纤维，并测量PA和US波形，来评估系统的分辨率、temporal和频率响应以及SNR。
系统编程和控制
系统采用LabVIEW编写的生产者和消费者循环架构，有效地解耦了数据保存和数据生成过程，提高了数据流的稳定性。系统能够以约0.9Hz的速率进行实时数据采集、处理、显示和保存，显示延迟为1-2帧，接近激光脉冲重复频率限制的理论1Hz帧率。
系统软件和控制架构
对比剂和明胶体模制作与成像
将玻璃微球（直径100μm）与疏水染料混合并超声处理，制备出用于明胶体模的对比剂，以提供声学和光声对比。将对比剂、猪明胶和防腐剂溶解在水中，加热冷却后倒入模具，制成管状体模。
将体模浸没在水中，使用ARPAM/US成像探头进行扫描，以研究系统的图像质量和稳定性。通过对不同频率段的信号进行分析，确定了最佳的PA和US频率带，以优化图像的SNR和斑点大小。
幻影制造和成像
信号处理管道
基于典型超声信号处理程序开发，对DAQ的原始数据进行电压转换、FIR滤波、希尔伯特变换基信号包络检测、对数压缩和动态范围调整，使用自定义US和PA查找表绘制图像数据并进行扫描转换以形成径向显示，所有信号分析基于FIR滤波后的数据（除非特别说明），最终图像进行共注册和扫描转换为径向图像显示。
重建算法和处理流水线的优化
离体标本和体内患者成像
离体成像：对19名手术患者的结直肠标本进行成像，通过分析预处理数据的RMS值，研究噪声稳定性和不同组织类型之间的信号差异。
体内成像：在标准护理手术前，对患者进行麻醉后将探头插入直肠，打开激光进行成像，同时根据实时图像显示调整探头位置，并连续记录和保存数据。
系统表征
模拟的超声传输场与典型聚焦单元素XDC一致，玻璃杆对超声传输和接收场的影响极小。通过光学模拟和测量，确定了透镜的最佳位置，成像头、探头和光学耦合笼系统的耦合效率分别为83%、80%和49%。
系统的声学仿真和光学耦合
碳纤维体模成像
PA强度在近场和焦点区域较强，在远场因光散射显著下降；PA成像的轴向分辨率为72μm，横向分辨率为116μm；US成像的轴向分辨率为35μm，横向分辨率为122μm。PA信号频谱和US信号中心频率及带宽符合预期。PA信号在近场和焦点场的SNR为50-53dB，在远场因光散射迅速下降；US信号在近场SNR低，在焦点处的SNR为28-30dB，在远场下降。
具有幻像和分辨率目标的系统的实验表征
明胶体模成像
US ROI强度稳定，PA ROI强度有波动，体模在成像序列中稳定；确定了优化的PA频率带为3-30MHz，US频率带为9-22MHz。
离体成像
PA噪声高于US噪声，正常组织灌注均匀，癌症组织灌注减少pCR病例灌注正常；US图像中各组织区域差异显著，PA图像中噪声、癌症和正常组织之间差异显著，癌症和pCR组织之间差异显著，pCR组织与正常组织差异不显著。
结肠直肠组织的体外成像
体内成像
体内和离体成像显示正常组织血管模式均匀，肿瘤组织层破坏，血管结构被肿瘤严重破坏，肿瘤床血灌注减少；手术病理证实了肿瘤的存在。
结直肠组织的体内成像
系统进行了多项改进，包括增强机械安装和包装、使用光学模拟结合计算机辅助设计增强光学稳定性和可靠性、添加探头放大器和滤波减少噪声、设计一致可靠的数据处理管道、编程新的触发方案和控制软件增强可靠性、提高帧率和最大化数据吞吐量，并开发定制对比剂和成像体模以表征系统和优化数据处理。
当前系统使用手持式探头，正在开发自动化3-D成像扫描系统以提供更全面的直肠形态和血管结构视图，增强诊断能力；系统的局限性是缺少多个波长来计算血氧饱和度和血红蛋白浓度，目前正在尝试通过添加激光或切换到较慢的OPO可调谐激光来解决，但这可能会增加成本和空间或降低实时成像的脉冲重复率。
系统通过19次离体成像实验展示了其鲁棒性和稳定性，在癌症区域检测到可分辨信号，正常和pCR病例的PA信号相似，在患者研究中观察到正常和癌组织的明显差异，更多患者正在被招募以进一步验证结果。该系统有望用于评估直肠癌患者放疗和化疗后的肿瘤床局部形态和功能变化，以及在治疗后监测中预测直肠癌的再生，为直肠癌患者提供更优的手术管理方案。
声明：本文仅用作学术目的。文章来源于:Sitai Kou,Sanskar Thakur, Ahmed Eltahir,Haolin Nie,Yitian Zhang,Andrew Song,Steven R. Hunt,Matthew G. Mutch,William C.Chapman,Quing Zhu,A portable photoacoustic microscopy and ultrasound system for rectal cancer imaging,Photoacoustics,Volume 39,2024,100640,ISSN 2213-5979,https://doi.org/10.1016/j.pacs.2024.100640.