利用光激活纳米液滴的光激发超声定位成像

更清晰地观察微小血管

医生和研究人员越来越依赖超声实时观察体内情况。但在最微小的血管方面，当今的扫描仪常常模糊重要细节。本研究提出了一种通过光可控纳米液滴在血流中“开关”超声对比的新方法，为更清晰地成像大脑和其他器官、延长扫描时间并有望实现更安全、更精确的影像引导治疗打开了可能。

为何难以看清小血管

传统超声对较大结构效果良好，但其分辨率受声波物理限制：大约比半个超声波长更小的物体会相互模糊。最近的一项进展称为超声定位成像，它通过追踪注入血流的单个微气泡并根据它们的路线构建超高分辨率的血管图，从而绕开了这一限制，有点像通过追踪夜间成千上万辆车来描绘城市街道。然而，这些微气泡相对较大，只能循环几分钟，在小血管中分布不均，而且信号衰减快，尤其在长时间或重复扫描时更明显。这些缺点限制了医生对大脑、肿瘤或肾脏等脆弱微血管网络的检查深度和持续时间。

按需点亮纳米液滴

作者通过设计微小的纳米液滴来应对这些限制，这些液滴可被短激光脉冲触发，仅在需要的时间和位置转变为微气泡。每个液滴在含有吸光染料（吲哚菁绿）的水基溶液周围包裹一层过氟戊烷液核，并由表面活性剂外壳稳定。在体温和正常超声强度下，这些液滴保持为无害且稳定的纳米级球体，能长时间循环。当近红外短脉冲激光照射目标区域时，染料轻微升温，使核心液体汽化并膨胀成强烈反射超声的气泡。通过调节激光能量，团队能够控制转换的液滴数量，实现比早期光激活液滴系统低约七倍的光剂量，同时仍产生强烈的超声和光声信号。

从触发气泡到超分辨率血管图

为将该效应转化为实用成像方法，研究人员构建了将激光脉冲与超快超声帧交替进行的装置。在小鼠体内静脉注射一次纳米液滴后，系统反复发射低频激光脉冲，然后立即在新形成的微气泡沿血管漂浮时捕获数百帧超声图像。通过先进的滤波去除组织背景信号，随后应用定位算法，他们逐帧定位单个气泡的位置，并将这些位置随时间堆叠成微血管的细致地图。在小鼠大脑中，这种光激活超声定位（PaUL）成像揭示了约21微米的血管——大约为人类发丝宽度的四分之一——通过完整的皮肤和颅骨成像，其对比度比常规功率多普勒超声更清晰。

更快的扫描与更长的成像窗

由于纳米液滴在激活前比传统微气泡小得多，它们能渗入更细的毛细血管，并可在选定区域选择性触发。在直接比较中，PaUL 成像在重建大脑血管网络方面比基于微气泡的定位成像快约2.4倍，这得益于小血管中更多的定位事件密度。该方法还生成与标准技术在准确性上可比的血流动力学图（显示血流速度），但采样更密集、单个气泡的可追踪路径更长。重要的是，纳米液滴的循环时间更久：当微气泡信号在几分钟内急剧下降时，纳米液滴衍生的信号在20分钟后仍然强劲，从而实现多达三倍的更多定位事件，并允许研究人员在不重复注射的情况下按顺序扫描多个脑区。

潜在用途与未来改进

这些结果表明，光激活纳米液滴可以在较长时间内提供灵活的高分辨率微血管成像，这对研究大脑功能、监测中风或评估肿瘤血供尤其有价值。相同的液滴还产生光声对比，允许在绘制血管结构和血流的同时同时映射氧含量和染料分布。作者指出，目前性能受限于光在组织中的穿透深度，使最有效的激活局限在几毫米的深度，但他们概述了几条深入途径：改进光传输几何、使用在穿透更好波长范围吸收的染料，以及采用微创的光纤照明。随着未来的改进和安全性研究，PaUL 成像可补充现有的超声与光声工具，最终可能支持影像引导治疗，例如靶向药物递送，使医生仅在需要的区域选择性激活造影或治疗因子。

对患者意味着什么

简单来说，这项工作将超声成像变成更像是在血流内部可控的手电筒：微小液滴保持“静默”，直到一束光脉冲告诉它们在超声下“发光”。这种可控性使得更清晰地观察更小的血管、延长血流观测时间成为可能，并有望以更少的注射和更低的能量水平指导精准治疗。尽管在人类应用前仍需进一步测试，这一方法指向了对身体最小且最重要通道——为器官和肿瘤供养的微血管——更安全、更有信息量的成像未来。

引用: Zhao, S., Yi, J., Qiu, Y. et al. Photo-activated ultrasound localization imaging with laser-activated nanodroplets. Commun Eng 5, 43 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00592-w

关键词: 超声成像, 微血管, 纳米液滴, 光声成像, 脑血流