超声成像突破衍射极限，有望检测肿瘤

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2014年的诺贝尔化学奖授予克服了光学成像中衍射极限限制而将荧光显微成像的分辨率带入到“纳米时代”的三位科学家。受此启发，研究者们在声学领域开发了类似的技术以快速获得精细的超声图像。

从很多方面看，超声波都非常适合用于无创生物医学成像。超声波的产生和探测既简单又廉价，能深入穿透到组织内部而不会造成组织损伤，同时还不会失去其相干性。但由于衍射的存在，传统超声成像——正如传统光学显微镜——的分辨率被限制在约半波长的量级。在波长使用范围为200微米和1毫米之间的临床超声应用中，这个分辨率限制了包括小血管在内的很多重要组织的成像。虽然更短的波长能够获得更好的分辨率，但它们对于组织的穿透能力又不够。

　　在光学领域，科学家们已经克服了光学成像中长期存在的衍射极限，将荧光显微成像的分辨率带入到“纳米时代”，此项技术也荣膺2014年的诺贝尔化学奖。受此启发，巴黎郎之万研究所（Langevin Institute，隶属于巴黎高等物理化学学院、法国国家健康与医学研究院和法国科学研究中心）的米克尔·坦特（Mickael Tanter）和同事最近开发出一项超分辨超声技术[1]，凭借这项技术，他们获得了老鼠大脑血管的10微米分辨率成像，如图1所示。此项技术运用于人体将有助于检测能导致血液流动模式改变的癌症和其他疾病。

　　图1. 鼠脑皮质血管的超分辨率超声图像。颜色代表血流速度：深蓝和浅蓝部分展现了朝着头骨方向（向着图片顶端）流动的血液，红色和黄色部分则展现了离开头骨方向的血流。（米克尔·坦特供图）

　　荧光团和微泡

　　在传统的荧光显微技术中，研究者利用荧光分子团（简称荧光团）对目标样本进行修饰，荧光团在受到光激发时会发射特定波长的光。每种荧光团都会产生一个受衍射极限限制的光斑，其直径为数百纳米；所有荧光团产生的光斑重叠合并后便会生成一幅低分辨率的影像。

　　如果来自单个荧光团的光斑能够以某种方式被呈现出来（譬如，让周围的荧光团暂时不发出荧光），其中心——即荧光团所在的位置——就可以被精确定位。2006年的短短几个月里，三个研究小组基于上述原理公布了各自发明的成像技术[2]，这些研究小组的领导者分别为来自珍妮利亚农场研究所（Janelia Farm）的埃里克·白兹格（Eric Betzig）、来自于哈佛大学的庄小威以及来自于缅因大学的塞缪尔·赫斯（Samuel Hess）。他们通过每次激活一组不同荧光团的方式来对样本进行重复成像，进而得到了高分辨率的图像。

　　2009年，坦特和赫斯同时受邀担当在纽约冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）举办的一期暑期班的讲师，坦特从赫斯那里了解到了这种新颖的高分辨光学技术。之后，坦特便萌生通过类似技术以超声为基础实现高分辨图像的想法，于是他联合郎之万研究所的同事——奥利维尔·库蒂尔（Olivier Couture）和博士生克劳迪奥·埃里克（Claudia Errico）——准备将其付诸实践。

　　超声技术利用微米级的惰性气体气泡来充当荧光显微技术中荧光团的作用。这些微气泡对人体很安全，在被注入血液中以后，便成为超声的强散射体。因此它们是医学成像中增强声学造影的标准手段。研究者们必须使微气泡表现得像非重叠的点声源——这是实现超分辨率成像的关键因素，但不同于荧光团，微气泡的散射不容易被关闭和打开，因此他们必须另辟蹊径。

　　一个可行的解决方案就是使用较少的微气泡：如果气泡自身就相距数百微米，那么其产生的超声信号就不可能重叠。最近，伦敦帝国学院（Imperial College London）和伦敦国王学院（Kings College London）的研究者们一直在尝试上述方案[3]。他们利用亚波长分辨率对鼠耳血管进行了成像。但利用这种方案构建合成图像所耗费的时间很长——差不多需要一个小时。

　　坦特和同事从一开始就采取了一种全然不同的策略：他们利用超快超声以每秒500帧的速度对鼠脑进行成像，并检查连续图像之间的差异。在帧与帧之间的较短时间里，大部分的影像区域几乎没什么变化，因此每次图像的贡献可以互相抵消。但明显移动或破裂的气泡会显示为波长量级的斑块。这样，研究者们就可以对这些斑块的分布进行高斯拟合（如图2所示），并定位其中心——即气泡所在位置。通过重叠2.5分钟内拍摄的数千张不同图像的气泡位置，他们获得了老鼠血管的高分辨率合成图像。因为能够追踪单个气泡在不同图像上的变化，因此他们也可以推断出每根血管中的血流速度，如图1中彩色部分所示。

　　

　　图2. 逐点分辨。即便注入惰性气体微气泡以增强声学对比，常规超声图像中的鼠脑血管依然不可见（a）；明显的白色条纹是头骨。但快速获得的两帧之间的差异（b）表现为一组稀疏的弥散斑块，每个斑块都是由一个移动或破裂的气泡所产生的。通过对斑块的高斯分布进行拟合（c）就可以精确定位气泡的位置（d）。（图片改编自参考文献1。）

　　扭曲的血管

　　通过这项新技术，几种会干扰血液循环的病症就有可能被诊断出来。某些疾病，譬如中风，其特点在于通过某些血管的血流量会发生变化；而另外一些疾病，比如癌症，则会改变血管本身的结构。为了向核心部分提供营养，体积较大的肿瘤必须长出自己的血管，这种血管在很多方面都不同于健康组织中的血管，而且即便较小的早期肿瘤也会影响周边血管网络的结构，使原本整齐笔直的血管变得蜿蜒扭曲。

　　保罗·代顿（Paul Dayton）和他所领导的在北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina, Chapel Hill）的研究小组，以血管的超声成像为基础，已经开发出了区分肿瘤组织和健康组织的计量方法[4]。但他们目前所使用的图像必须折衷考虑衍射极限分辨率和穿透性的影响，上述新颖的成像技术可以改善超声成像分辨率，令他们的计量方法更具威力。“它是相当令人激动的一项技术，而且与我们的工作非常相关。”代顿说。

　　骨骼是超声波的强散射体，为了获得图1这样的清晰图像，坦特和同事必须将老鼠头骨的厚度从700微米降低到100微米。虽然利用完整头骨也可以拍摄具备超分辨的图像，但深部脑区的细节会严重缺失。将正常7毫米厚度的人类头骨变薄显然是不可行的，因此这项技术目前似乎并不特别适用于脑部检查。不过坦特也注意到，其他容易罹患肿瘤的器官，譬如肝脏和乳腺，并没有被骨骼所包裹，因此更容易利用此项技术成像。另外，他还计划尝试利用较长波长的超声来对完整的人类头骨进行成像。

　　参考文献

　　[1]. C. Errico et al., Nature 527, 499(2015).

　　[2]. E. Betzig et al., Science313, 1642(2006); M. J. Rust, M. Bates, X. Zhuang, Nat. Meth.3, 793 (2006); S. T. Hess,T. P. Girirajan, M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).

　　[3]. O. M. Viessmann et al., Phys. Med.Biol.58, 6447 (2013); K. Christensen-Jeffries et al., IEEE Trans. Med. Imag.34, 433 (2015).

　　[4]. R. C. Gessner, S. R. Aylward, P. A.Dayton, Radiology264, 733 (2012); S. E. Shelton et al., Ultrasound Med. Biol.41, 1896 (2015).

　　本文发表于2016年2月1日，赛先生获版权方美国物理学会授权翻译。原文链接：http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/69/2/10.1063/PT.3.3069

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