许多健康问题以及相应的医疗方法都与血液在体内的流动方式有关。心脏病发作是由于流向心肌的血液受到限制。许多糖尿病症状都是血管受损的结果。与此同时，肿瘤往往会促进新血管的生长，从而专门为其输送血液。而血流量是衡量大脑功能的重要生理参数。因此，医学专家希望能够检查血管并评估其状况，但由于许多血管深埋在体内，如果不进行探查手术，就很难进行这样的检查。
加州理工学院医学工程和电气工程布伦教授王立宏的实验室开展的新研究，现在可以用非侵入性的方式对人体深层血管甚至是流经血管的血液进行成像。
加州理工学院的新型光声矢量断层扫描（PAVT）技术能够对深层血管进行突破性的无创成像，并对血流动态进行详细分析。
创新成像技术：PAVT
在发表于《自然-生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）杂志上的一篇文章中，Wang 和他的同事描述了这种技术，他们称之为光声矢量断层扫描（Photoacoustic vector tomography，简称 PAVT）。这项技术在很多方面都与王立宏的其他光声成像技术相似，后者利用的是能被红细胞中的载氧分子血红蛋白很好吸收的激光。
血红蛋白分子吸收激光的能量后会产生超声波振动。这些振动在整个组织中传播，直到到达皮肤表面，被连接到计算机上的传感器检测到。然后，计算机会生成组织特征的图像，在本例中就是血管。
这并不是王的实验室第一次展示利用光声学技术对血管进行成像的能力，但这种新方法能比以前更深入地对人体内的血流进行成像，并首次不仅显示了血管的存在及其氧合状态，还显示了血液是如何在血管中流动的。
血流成像技术的突破
"以前，我们只能显示血管的大小、血液的浓度和血氧饱和度，"安德鲁和佩吉-程医学工程领导力讲座教授王说。"现在，我们可以测量矢量流，它同时显示流速和方向。我们这个领域研究光声技术已经有 20 多年了，但没有人预料到会有这样的结果。我们自己也很惊讶，因为我们的领域认为这是不可能的。"
"当我第一次看到我们的血流图像时，我绝对大吃一惊，"第一作者、医学工程博士后学者副研究员张洋说。"这项工作最令人兴奋的地方在于，我们将工程学和生理学协同起来，克服了以前认为该领域无法克服的障碍"。
研究小组之所以能够看到血流方向和流速，是因为 PAVT 具有非常精细的分辨率，能够辨别出人体深处红细胞分布所产生的信号。集成在系统中的算法会跟踪这些分布的运动，并推断出血流的速度和方向。这有点像Google通过观察手机在该区域的移动速度来判断高速公路上的交通流量有多大。
研究人员假设，红细胞的异质分布有助于他们拍摄人体血流的图像和视频，而红细胞的异质分布部分源于全身血管的结构方式。
在巴西亚马逊河和内格罗河的交汇处，可以看到两条河流的水平行流淌，并在汇合后的一段时间内保持不混合。血管中也有类似现象。图片来源：Portal da Copa/Wikimedia Commons
王立宏将静脉中的情况比作两条水质不同的河流（一条清澈，一条浑浊）汇合成一条更大的溪流。在这样的汇合处，即使流经相同的河道，两股河水在很长一段距离内仍未混合的情况并不少见。
当两根输送不同血液成分（含氧和不含氧）血液的静脉汇合在一起时，也会出现类似的现象。尽管这两条血管的血液汇合成一股，但在一段时间内仍会保持未混合状态。PAVT 系统可以分辨出这些未混合的斑块，并跟踪它们的运动。
由于红细胞吸收来自 PAVT 系统的激光的方式因其是否含氧而异，因此 PAVT 还能确定特定血管中的血液携带了多少氧气。王补充说："这使我们能够量化耗氧量，而耗氧量是衡量新陈代谢的重要指标。"
编译来源：ScitechDaily