有時，科學進步是以發現全新事物的形式出現的。還有一些時候，進步可以歸結為更好、更快或更容易完成某件事。加州理工學院的改良型光聲成像技術PACTER簡化了操作程序，實現了三維成像，降低了操作複雜性，標誌著醫學成像領域的重大進步。

加州理工學院最近的研究對一種名為 PATER 的光聲成像技術進行了重大改進，該技術現已發展為 PACTER。新版本簡化了技術，減少了對多個感測器的需求，實現了三維成像，並且無需在每次使用前進行校準。這些進步使該技術在醫學影像應用中更加實用和高效。資料來源：加州理工學院

加州理工學院醫學工程和電子工程布倫教授王力宏實驗室的最新研究就屬於後者。在發表於《自然-生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）雜誌上的一篇論文中，王力宏和博士後學者張一德展示了他們如何簡化和改進他們於 2020 年首次公佈的一種成像技術。

這項技術是一種名為PATER（透過極性中繼的光聲地形圖）的光聲成像技術，也是王建民研究小組的專長。

光聲成像技術的改進

在光聲成像中，雷射脈衝進入組織，被組織的分子吸收，造成分子振動。每個振動的分子都是超音波的來源，可用於以類似超音波成像的方式對內部結構進行成像。

然而，光聲成像在技術上具有挑戰性，因為它能在短時間內產生所有成像資訊。為了捕捉這些訊息，王的光聲成像技術的早期版本需要將數百個感測器（換能器）組成的陣列緊貼被成像組織的表面，這使得該技術既複雜又昂貴。

王和張透過使用一種稱為”麥積繼電器”的裝置減少了所需感測器的數量，這種裝置可以減慢資訊（以振動的形式）流入感測器的速度。正如之前有關 PATER 的報道所解釋的那樣：

在計算中，有兩種​​主要的資料傳輸方法：串列和並行。在串列傳輸中，資料以單一資料流透過一個通訊通道發送。在並行傳輸中，多個資料會透過多個通訊通道同時發送。

這兩種通訊方式大致類似於商店中使用收銀機的方式。串列通訊就像一台收銀機。每個人都排在同一隊中，看到同一個收銀員。並行通訊就好比有幾個收銀機，每個收銀機都有一條線。

Wang 設計的 512 個感測器的系統與擁有許多收銀機的商店類似。所有感測器同時工作，每個感測器接收雷射脈衝產生的超音波振動的部分數據。

由於系統發出的超音波振動是在短時間內產生的，因此如果要在這麼短的時間內收集所有數據，單個感測器將不堪重負。這就是麥哲倫繼電器的用武之地。

正如王力宏所描述的那樣，遍歷中繼器是一種可以讓聲音在周圍迴盪的腔體。當超音波振動通過遍歷中繼器時，它們會在時間上被拉長。回到收銀機的比喻，這就好比讓另一名員工協助單一收銀員，告訴顧客在店裡走幾圈，直到收銀員準備好接待他們，這樣收銀員就不會手忙腳亂了。

PACTER：下一步發展

這項技術的最新版本被稱為 PACTER（Photoacoustic Computed Tomography Through an Ergodic Relay），它更進一步，允許系統使用單一感測器進行操作，透過使用軟體，可以收集到與 6,400 個感測器一樣多的資料。

兼任安德魯和佩吉-錢格（Andrew and Peggy Cherng）醫學工程領導力主席和醫學工程執行官的王說，PACTER 在另外兩個方面改進了 PATER。

改進之一是 PACTER 可以產生三維影像，而 PATER 只能產生二維影像。這得歸功於改進軟體的開發。

“過渡到三維成像大大提高了資料需求。我們面臨的挑戰是如何透過單一感測器傳輸大量增加的數據，”張說。 “我們透過改變方法找到了解決方案。我們首先將一個感測器擴展為數千個虛擬感測器，而不是直接採用計算密集型方法從單感測器資料中重建三維影像。這個想法簡化了三維影像重建的過程，使其與我們光聲成像的傳統方法更加接近”。

其次，與 PATER 不同，PACTER 無需在每次使用時進行校準。

“使用 PATER 時，我們必須在每次使用時對其進行校準，而這是不現實的。我們擺脫了這種每次使用時的一次性校準，”王說。之所以需要校準，是因為當系統向組織發射雷射脈衝時，脈衝的”回波”會反彈到換能器上，使其無法感知直接的超音波資訊。 PACTER 透過在系統中加入延遲線來解決這個問題。延遲線迫使回波在返回換能器的途中經過更長的物理路徑，這樣它就能在接收到直接超音波資訊後到達換能器。

描述這項工作的論文”利用單元素探測器進行單次容積光聲斷層掃描的血流動力學超快縱向成像”發表在11月30日出版的《自然-生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）雜誌上。論文的共同作者包括：胡鵬（23 年博士），前醫學工程研究生；李磊（19 年博士），前醫學工程博士後；曹叡，醫學工程博士後；Anjul Khadria，前醫學工程博士後；Konstantin Maslov，前加州理工學院職員科學家；童欣，醫學工程研究生；以及南加州大學的曾玉順、蔣來明和周其發。

研究經費由美國國立衛生研究院提供。

編譯來源：ScitechDaily