在當今生物醫學研究的蓬勃發展浪潮中，深入探究生物體內復雜的生理病理過程始終是科研人員不懈奮斗的核心目標。而實現這一目標的關鍵路徑之一，便是借助先進的成像技術來精準捕捉生物體內的細微變化。傳統的成像模態，如X射線計算機斷層掃描（X-ray CT）、磁共振成像（MRI）、正電子發射斷層掃描（PET）以及光學成像等，在長期的研究實踐中都發揮了重要作用，但也各自存在著難以突破的瓶頸。

韓國浦項科技大學的科研團隊在PACT技術領域取得的創新性研究成果：連續旋轉掃描PACT系統。該系統在小動物全身生物動力學成像方面展現出了令人矚目的卓越性能，為生物醫學研究提供了一把強大而鋒利的工具。

研究背景
一、傳統成像模態
1.X射線計算機斷層掃描（X-ray CT）
X-ray CT憑借其高空間分辨率，能清晰呈現生物體的解剖結構，但輻射問題猶如高懸的達摩克利斯之劍。小動物對輻射更為敏感，過量輻射可能引發基因突變等不良后果，這使得研究人員在使用X-ray CT時不得不小心翼翼地控制劑量，極大地限制了其應用場景。

2.磁共振成像（MRI）
MRI以出色的組織對比度和獲取功能信息的能力而聞名，可其高昂的設備成本和相對較低的時間分辨率，成為了大規模動態研究的絆腳石。在研究諸如心臟快速跳動或神經信號瞬間傳遞等快速動態過程時，MRI往往難以捕捉到關鍵的瞬間變化，使我們對這些生理機制的理解停留在表面。

3.正電子發射斷層掃描（PET）
PET利用放射性示蹤劑量化生理過程，然而放射性暴露的風險以及示蹤劑開發的重重困難，使其應用如履薄冰。示蹤劑的研發需要耗費大量的時間、精力和資金，且其安全性始終是研究人員心頭的隱憂。

4.光學成像
光學成像中的熒光成像在功能和分子對比方面有獨特優勢，但空間分辨率差和組織穿透深度有限的問題，使其在觀察深層組織和微小結構時力不從心。在活體動物體內，光線的散射和吸收嚴重影響成像效果，讓研究人員難以窺探到深層器官的奧秘。

成像結果
一、小鼠體內成像的驚人發現
1.靜態全身成像的清晰呈現
在900nm波長的步進掃描中，小鼠的身體內部結構在PACT圖像中展露無遺。皮膚下約10mm深度內，心臟、肝臟、腸道等主要器官和復雜的血管系統清晰可辨，即使是肺、胃等深部器官也能被精準定位，為研究小鼠的解剖結構提供了詳盡的資料。當切換到連續掃描模式時，盡管該模式僅利用了256個換能器元件（相比步進掃描的512個元件有所減少），但所生成的圖像質量依然令人驚嘆。與步進掃描模式的圖像相比，連續掃描圖像在整體上能夠保持對主要器官結構的清晰呈現。雖然在小血管的可視化方面，連續掃描圖像出現了一些輕微的模糊，就像照片中的一些細節稍微有些失焦，但這并不影響對主要器官的觀察和分析。

為了進一步量化兩種掃描模式的差異，研究人員進行了一系列嚴謹而細致的實驗：在一項微球定位實驗中，將微球放置在掃描層的中心位置，然后分別使用兩種掃描模式對其進行成像，并沿著三個坐標軸對空間分辨率進行評估。實驗結果表明，連續掃描模式下的空間分辨率雖然略有下降，但這種下降在可接受的范圍內，并且與掃描速度并無直接關聯。這一發現充分證明了連續掃描模式在保持較高成像質量的同時，顯著提高了成像速度。

2.動態藥代動力學成像的精準追蹤
研究團隊開展了ICG分布監測實驗：造影劑靜脈注射后，通過連續掃描監測其在小鼠體內的行蹤。注射后不久，淺表血管中的信號迅速增強，隨后在18秒時肝臟和脾臟開始出現ICG積累跡象，90秒后更加明顯，6分鐘時大量積累。對不同區域PA信號的量化分析顯示，血管、脊柱、肝臟和脾臟等部位的信號變化各具特點，達峰時間也有所不同，清晰地展示了 ICG在體內的代謝路徑和器官攝取差異，為藥物代謝研究提供了寶貴的數據。

為了進一步驗證PACT系統監測結果的可靠性，研究人員還采用了熒光成像技術進行對比研究。在對肝臟和腫瘤區域的熒光與PA信號比值進行分析后發現，兩者之間無顯著差異（在統計學上具有相似的均值和標準差），這充分證明了PACT系統在疾病模型中監測藥代動力學的準確性和可靠性，為其在腫瘤研究和臨床前藥物研發中的應用奠定了堅實的基礎。

3.動態功能氧飽和度成像的創新突破
在氧挑戰測試中，利用750nm和850nm波長對選定成像層面進行采集，成功獲取了多平面的圖像。當氧氣濃度變化時，小鼠軀干的水平在圖像中直觀地呈現出相應改變，從高氧到低氧再到恢復高氧，顏色的變化清晰地反映了氧飽和度的動態過程。與傳統光柵掃描系統不同，新系統的3D成像能力涵蓋多個器官和血管，9秒的時間分辨率能從各個成像平面獲取功能信息，可精確分辨不同結構。實驗數據表明，肋骨、肝臟、脊柱、脾臟和血管等在氧挑戰不同階段水平變化顯著，而脾臟因其特殊的生理功能在恢復過程中表現出獨特的變化規律，這一成果為氧代謝研究提供了前所未有的深度和精度。

結論與展望
連續旋轉掃描方法借助半球形換能器陣列，實現了短時間內高分辨率的全身成像，極大地提高了成像速度，相比傳統技術是一次重大飛躍。上采樣重建方法和光通量補償技術確保了連續掃描的圖像質量，使內部器官的觀察更加清晰，為深入研究提供了有力支持。在藥代動力學和氧合動力學研究方面，該系統的連續掃描模式表現卓越，能夠精準捕捉造影劑動態和氧飽和度變化，為藥物研發和生理機制研究提供了關鍵的動態信息和器官灌注特性數據，有力地推動了相關領域的發展。

綜上所述，這項研究成果為小動物生物動力學研究提供了強大的工具，在臨床前研究領域具有重要的應用潛力，有望為生物醫學研究帶來新的突破和變革，激勵著科研人員不斷前行，進一步挖掘其價值，為人類健康事業做出更大的貢獻。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：Jinge Yang, Seongwook Choi, Jiwoong Kim, Jihye Lee, Won Jong Kim, Chulhong Kim,Multiplane Spectroscopic Whole-Body Photoacoustic Computed Tomography of Small Animals In Vivo,First published: 07 October 2024,https://doi.org/10.1002/lpor.202400672.