許多健康問題以及相應的醫療方法都與血液在體內的流動方式有關。心臟病發作是由於流向心肌的血液受到限制。許多醣尿病症狀都是血管受損的結果。同時，腫瘤往往會促進新血管的生長，從而專門為其輸送血液。而血流量是衡量腦部功能的重要生理參數。因此，醫學專家希望能夠檢查血管並評估其狀況，但由於許多血管深埋在體內，如果不進行探查手術，就很難進行這樣的檢查。

加州理工學院醫學工程和電氣工程布倫教授王立宏的實驗室進行的新研究，現在可以用非侵入性的方式對人體深層血管甚至是流經血管的血液進行成像。

加州理工學院的新型光聲向量斷層掃描（PAVT）技術能夠對深層血管進行突破性的非侵入性成像，並對血流動態進行詳細分析。

創新影像技術：PAVT

在發表於《自然-生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）雜誌上的一篇文章中，Wang 和他的同事描述了這種技術，他們稱之為光聲向量斷層掃描（Photoacoustic vector tomography，簡稱PAVT ）。這項技術在許多方面都與王立宏的其他光聲成像技術相似，後者利用的是能被紅血球中的載氧分子血紅蛋白很好吸收的雷射。

血紅素分子吸收雷射的能量後會產生超音波振動。這些振動在整個組織中傳播，直到到達皮膚表面，被連接到電腦上的感測器檢測到。然後，電腦會產生組織特徵的影像，在本例中就是血管。

這並不是王的實驗室第一次展示利用光聲學技術對血管進行成像的能力，但這種新方法能比以前更深入地對人體內的血流進行成像，並首次不僅顯示了血管的存在及其氧合狀態，也顯示了血液是如何在血管中流動的。

血流成像技術的突破

「以前，我們只能顯示血管的大小、血液的濃度和血氧飽和度，」安德魯和佩吉-程醫學工程領導講座教授王說。「現在，我們可以測量向量流，它同時顯示流速和方向。我們這個領域研究光聲技術已經有20 多年了，但沒有人預料到會有這樣的結果。我們自己也很驚訝，因為我們的領域認為這是不可能的。”

「當我第一次看到我們的血流影像時，我絕對大吃一驚，」第一作者、醫學工程博士後學者副研究員張洋說。”這項工作最令人興奮的地方在於，我們將工程和生理學協同起來，克服了以前認為該領域無法克服的障礙”。

研究團隊之所以能夠看到血流方向和流速，是因為PAVT 具有非常精細的分辨率，能夠辨別出人體深處紅血球分佈所產生的訊號。整合在系統中的演算法會追蹤這些分佈的運動，並推斷出血流的速度和方向。這有點像Google透過觀察手機在該區域的移動速度來判斷高速公路上的交通流量有多大。

研究人員假設，紅血球的異質分佈有助於他們拍攝人體血流的圖像和視頻，而紅血球的異質分佈部分源於全身血管的結構方式。

在巴西亞馬遜河和內格羅河的交匯處，可以看到兩條河流的水平行流淌，並在匯合後的一段時間內保持不混合。血管中也有類似現象。圖片來源：Portal da Copa/Wikimedia Commons

王立宏將靜脈的情況比喻為兩條水質不同的河流（一條清澈，一條渾濁）匯合成一條更大的溪流。在這樣的匯合處，即使流經相同的河道，兩股河水在很長一段距離內仍未混合的情況並不少見。

當兩根輸送不同血液成分（含氧和無氧）血液的靜脈匯合在一起時，也會出現類似的現象。儘管這兩條血管的血液匯合成一股，但在一段時間內仍會保持未混合狀態。PAVT 系統可以分辨出這些未混合的斑塊，並追蹤它們的運動。

由於紅血球吸收來自PAVT 系統的雷射的方式因其是否含氧而異，因此PAVT 還能確定特定血管中的血液攜帶了多少氧氣。王補充說：”這使我們能夠量化耗氧量，而耗氧量是衡量新陳代謝的重要指標。”

編譯來源：ScitechDaily