光声内窥成像在活体动物脓毒症肠道中的研究
在人体这个复杂精妙的“小宇宙”里，微循环堪称默默运转的“幕后英雄”。对于危重症患者而言，微循环的血流量、血氧饱和度等指标，更是反映其身体状况的关键信号，能为医生的临床诊断和治疗决策提供重要依据。以往，显微镜是观察体表微循环的常用工具。然而，只能呈现组织毛细血管的空间形态，对于血流速度、血氧饱和度等关键功能性信息却无能为力，远远无法满足临床需求。消化道血管其实能更准确地反映微循环状态，可一直缺乏有效观察的“利器”。
研究背景与技术挑战
光声成像技术原理基于生物组织对脉冲激光的奇妙反应：当脉冲激光照射生物体内时，生物组织吸收激光能量，产生热弹性膨胀，进而激发出超声波，通过探测这些超声波，就能绘制出生物组织的内部图像。这项技术的独特之处在于，对比度源于血红蛋白的内源性吸收，这使得它能够清晰地展现生物组织的血管结构，比如小鼠脑皮层的血管分布。而且，利用不同血氧饱和度下血红蛋白在吸收谱上的差异，选择合适的双波长或多波长激发光，就能像解锁密码一样，计算出血氧饱和度，为医生提供更多有价值的生理信息。
但是，现有的光声内窥成像技术在实际应用中也面临挑战。将光声成像装置集成到小型化探头中，虽然可以深入消化道进行内窥成像，但由于探头内光学与超声器件尺寸受限，就像在狭小空间里施展拳脚，很难同时兼顾高空间分辨率和高灵敏度，成像能力与体外光声成像相比存在较大差距，无法满足肠道微循环功能成像的需求。
技术创新与突破
高空间分辨率：微观世界的 “放大镜”
空间分辨率是衡量成像设备能否看清微小结构的关键指标。科研人员在活体成像前，对光声内窥探头的空间分辨率进行了严谨测试。将制作好的探头安装在步进电机上，放入充满去离子水的水箱中，并在水箱底部固定手术刀片。通过程序精确控制步进电机，让探头沿着垂直于金属刀刃边缘的方向扫描。当光斑扫描到刀刃上时，激发出的超声信号强度会发生显著变化。
科研人员基于这些变化，经过复杂的计算，得出成像探头的横向分辨率达到了12.5μm。同时，通过对透镜的数值孔径以及工作波长等因素的深入研究，确定了探头的景深为1.2mm。这意味着在实际使用中，即使被成像物与焦点的距离有一定变化，该内窥镜也能像性能卓越的显微镜一样，清晰呈现不同深度组织的细微结构。
高稳定性：可靠的 “侦察兵”稳定性是成像设备持续稳定工作的重要保障。科研人员以黑色胶带作为成像样品，对探头的稳定性进行测试。在不锈钢管上开出特定窗口，制作成水囊，将黑胶带覆盖在水囊表面。把内窥探头伸入充满去离子水的水囊中，以1Hz的扫描频率、1.6kHz的激发光重复频率对样品进行单向旋转扫描。在30分钟的持续监测中，提取每旋转一周后的光声信号峰峰值强度，经过精确计算，得到信号抖动均方根（RMS）值仅为2.5%。这表明探头的激发-探测效率十分稳定，在快速旋转扫描过程中也能稳定工作，就像一位可靠的“侦察兵”，为准确成像提供坚实保障。
精巧设计：协同合作的 “小能手”
内窥镜的内窥成像探头设计精巧，内部包含两根功能光纤。一根负责引导和聚焦脉冲激发光，如同精准的“光引导器”，能把光准确地送到需要成像的部位；另一根内置激光超声传感器，用于探测光致超声信号，不放过任何细微的超声信号。在扫描方式上，它采用360°螺旋扫描，通过线性电机和旋转电机的紧密配合，能全面、细致地获取小动物肠道血管的空间分布信息。而且，结合双波长光声激发技术，能够准确测量并获得血氧饱和度的分布信息，为医生提供更丰富、更有价值的生理数据。
成像实验与结果分析
健康肠道成像：绘制清晰的“地图”
在对健康小动物肠道进行内窥成像时，科研人员挑选了质量约300g的实验大鼠。实验前，对大鼠进行禁食、麻醉、灌肠等预处理，以确保成像效果不受干扰。在成像过程中，将带有水囊的套管伸入直肠，撑开肠道，减少褶皱对成像的影响，然后放入成像探头进行全角度扫描。通过单波长激发，得到了血红蛋白浓度分布的三维成像结果，清晰展示了大鼠肠道内壁的血管结构。
从展开后的二维图像中，可以看到光声信号强度与血红蛋白质量浓度呈线性关系，通过光声信号强度就能准确表征血红蛋白的质量浓度。同时，血氧饱和度的空间分布图像清晰地呈现出内壁动静脉血管的分布情况，研究还发现动脉血管大多在浅表层位置，而静脉血管则相对更深。此外，对健康大鼠进行连续7h的内窥成像结果显示，肠道血管内的血氧饱和度没有明显变化，这进一步验证了成像系统的稳定性。
疾病肠道成像：捕捉病变的“痕迹”为研究疾病状态下肠道微循环的变化，科研团队建立了脓毒症肠道模型并进行光声内窥成像。先对健康状态下的大鼠肠道进行扫描作为基准，然后通过注射脂多糖（LPS）建立脓毒症模型，每隔1h对大鼠肠道同一位置进行扫描成像。实验结果显示，随着脓毒症发作，大鼠肠道内特别是特定区域的血管数量逐渐减少；血氧饱和度也呈现下降趋势，在5h左右达到发病高峰。这些结果反映了脓毒症引起的组织灌注不足现象，与其他研究团队利用体外光声成像装置对脓毒症小动物的研究结果相呼应，证明了脓毒症会在肠道内引发缺血及缺氧现象，符合脓毒症引起全身微循环障碍的理论。
深远意义与未来展望
新型光纤光声内窥镜为肠道微循环监测带来了新的突破。能够以无创的方式，清晰地呈现肠道内壁血管的结构和血氧饱和度的变化，为研究微循环障碍与心脑血管重症救治提供了一种极具潜力的影像学手段。不过，目前该技术仍处于研究阶段。未来，科研团队将继续努力提升内窥镜的成像能力和工程化水平，开展大型动物实验，逐步攻克技术难题，朝着临床诊断应用的方向稳步迈进。相信在不久的将来，这项技术会走出实验室，走进医院，推动医学事业的进步与发展。
声明：本文仅用作学术目的。
陈小龙, 梁贻智, 仲晓轩, 白雪, 金龙, 黄卫, 黄澄, 牛晓兵, 郭珊珊, 关柏鸥. 活体小动物脓毒症肠道模型的光声内窥成像研究[J]. 中国激光, 2023, 50(9): 0907103.
DOI：10.3788/CJL221450
