新型光声计算介观成像技术实现对完整小鼠大脑脑血管的无创成像
光声成像可清晰呈现大脑形态、功能与代谢特征，但大脑内部强烈的光学散射和高频超声衰减，一直制约着光声脑成像效果。研究提出一种基于线扫描的光声计算介观成像（PACMes）技术，实现对完整小鼠大脑脑血管的无创、高分辨率长期成像。该技术融合近红外线扫描激发、低频全环超声探测与复合重建算法，最终获得33微米空间分辨率、13毫米视场的成像结果，为脑功能与疾病研究提供全新手段。
该研究由 Shijie Ruan、Wei Qin、Linyang Li、Tingting Li、Baochen Li、Xiao Liang、Lei Xi 完成，相关成果以《Noninvasive photoacoustic computed mesoscopy for longitudinal brain imaging》为题，于2026年2 月4日发表于《Science Advances》期刊。
重要发现
01技术核心设计
PACMes技术突破传统光声成像局限，从激发、探测、重建三方面完成优化。激发环节采用多角度聚焦近红外线扫描，近红外光可穿透头皮与颅骨，多角度扫描保证垂直于光线路径方向的高光学分辨率，同时提升激发效率。探测环节采用5兆赫兹低频全环超声换能器阵列，实现弱衰减光声信号的高灵敏度全域探测，弥补近红外光血红蛋白吸收弱的不足。重建环节采用复合算法，融合滤波反投影与光声信号光学定位，打破低频光声信号平行于光线路径方向的声学衍射极限，抑制背景伪影。
PACMes系统包含校准模块与线扫描模块。校准模块通过宽场激光均匀照射小鼠大脑，利用环形换能器阵列记录光声波，结合滤波反投影算法重建图像，获取成像视场内的声速矩阵。线扫描模块中，聚焦光线以等于线宽的步长扫描成像区域，以10°为间隔完成0°至180°多角度扫描，结合声速矩阵定位光声信号。
性能测试显示，单角度扫描时，垂直与平行光线路径方向分辨率分别为27微米、300微米；多角度合成后，实现32微米的各向同性分辨率，活体完整小鼠大脑成像分辨率达33微米。系统成像视场为13毫米，聚焦深度2毫米内，信噪比在6.29至4.72分贝之间，校准处理可显著抑制重建伪影、提升结构保真度，结合深度学习自监督恢复算法，可将扫描角度从180个减少至18个，成像速度提升10倍且保留图像细节。
03活体长期成像验证研究开展光血栓性中风与胶质瘤模型小鼠的长期成像实验。中风模型中，成功诱导重度与轻度缺血性中风，重度中风12小时成像清晰显示血管闭塞、脑水肿引发的矢状窦结构改变，与核磁共振成像结果一致；轻度中风实现5个月长期监测，捕捉到急性期脑血容量增加、恢复期血栓吸收、72小时侧支循环建立及24天完全恢复的全过程。胶质瘤模型中，长期成像追踪到肿瘤生长过程中注射部位周围迂曲紊乱新生血管形成、矢状窦变形等血管重构特征，经核磁共振成像与组织病理分析交叉验证，证实成像结果可靠性。
创新与亮点
该技术攻克光声脑成像中光学散射、高频超声衰减、分辨率与穿透深度失衡三大难题。提出 PACMes新技术，以近红外线扫描激发、低频全环超声探测、复合重建算法为核心，实现完整头皮颅骨下小鼠大脑无创、无标记成像。33微米分辨率、13毫米视场、5个月长期监测能力，优于传统光声断层成像、近红外光分辨率光声显微镜。适用于中风、胶质瘤等脑部疾病血管病理研究，无需手术创伤，可长期动态监测疾病进展，为临床前脑疾病研究提供高效无创的成像工具。
总结与展望
PACMes技术整合多角度线扫描、低频超声探测与智能重建算法，突破传统光声脑成像局限，实现完整小鼠大脑脑血管的无创、高分辨率、长期可视化，在活体成像中精准捕捉中风与胶质瘤的血管动态变化，为脑疾病研究提供新范式。未来可开发端到端深度学习重建框架，结合高重复频率脉冲激光、高灵敏度探测器阵列提升成像速度，拓展多光谱成像能力，同时优化运动校正技术适配更高分辨率成像需求，推动该技术在生物医学成像领域进一步落地应用。
声明：本文仅用作学术目的。
Ruan S, Qin W, Li L, Li T, Li B, Liang X, Xi L. Noninvasive photoacoustic computed mesoscopy for longitudinal brain imaging. Sci Adv. 2026 Feb 6;12(6):eaea1602.
DOI:10.1126/sciadv.aea1602.
