临床内分泌未来篇 l 2021光声成像在内分泌和代谢中的应用**
影像学是内分泌疾病研究、诊断和管理的重要工具。超声检查、核医学技术、MRI、CT和光学方法已用于内分泌学应用。光声成像（Optoacoustic imaging）又称photoacoustic imaging，是一种新兴的从微观、中观（介观）和宏观等不同细节尺度对内分泌生理和疾病进行可视化的方法。光声造影剂来源于内源性光吸收剂，如氧合和脱氧血红蛋白、脂质和水，或外源性造影剂，可显示组织脉管系统、灌注、氧合、代谢活性和炎症。用于人体的高性能光声扫描仪的开发引发各种临床研究，这些研究补充了该技术在临床前研究中的应用。本文内容包括：
回顾光声成像技术在内分泌学应用方面的关键进展；例如，使甲状腺形态和功能以及糖尿病或脂肪组织代谢中的微脉管系统可视化，特别关注多光谱光声断层扫描和光栅扫描光声中观检查。
解释光声显微镜的优点，并重点介绍中红外光声显微镜，该显微镜可对细胞和组织中的代谢产物进行无标记成像。
展示当前光声在内分泌学中的应用，并讨论了这些技术推进研究和临床实践的潜力。
临床内分泌未来篇 l 2021
光声成像
在内分泌和代谢中的应用
编译：陈康
要点
光声技术包括一系列无创、非标记和便携式成像模式，可提供宏观、介观和微观尺度的分子可视化。
多光谱光声断层扫描以200–300微米宏观（macroscopic）分辨率在2–4cm的深度产生组织的实时断层扫描视图。
光栅扫描光声介观（mesoscopy）检查可提供深度为1–2mm时分辨率< 10微米(介观检查)的组织微血管和灌注体积图像。
中红外光声显微镜提供细胞代谢中生物分子时空动力学的无标记可视化（微观）。
光声成像为研究常见内分泌疾病的解剖、功能和分子方面提供了一个完整框架。
成像在体内器官和组织的形态和功能可视化方面发挥着关键作用，被广泛用于评估垂体、甲状腺、肾上腺和生殖器官、胰腺、骨和不同形式内分泌肿瘤的各种内分泌疾病。正在使用的许多成像方式可以利用固有的组织对比度；然而，成像技术也通常利用造影剂来揭示形态、生理和生化特征。一般而言，超声检查、X线CT和MRI用于对腺体或病变进行解剖和生理成像，可使用固有对比剂或造影剂。此外，闪烁扫描、正电子发射断层扫描(PET)和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)成像扩展了疾病的功能和分子水平的可视化，使用的是外部施用的放射性核素基药剂以检测生化和代谢参数(表1)。尽管有如此丰富的成像选择，但仍需要便携式、低成本且易于传播的方法，可安全地应用于大量人群，以评估高患病率的内分泌和代谢疾病（J. Clin. Endocrinol. Metab. 94, 1853–1878 (2009).）。
表1临床内分泌学中的成像方式-用途、优缺点
可见光(380–750nm)或近红外NIR（near-infrared，750–2500nm) 波长光学成像的被认为是内分泌学应用中传统成像方法的替代形式。例如，使用荧光染料吲哚青绿（indocyaninegreen）的荧光成像或甲状旁腺自体荧光已用于内分泌手术。具体而言，肾上腺切除术或甲状腺切除术操作是在荧光引导下进行的；在后一种情况下，可提高对甲状旁腺的检测，而通常甲状旁腺很难识别，可能与甲状腺一起被不必要地切除而导致并发症（ J. Surg. Oncol. 115, 848–855 (2017)）。特别是，无标记自体荧光成像显示出在手术期间检测甲状旁腺组织的良好潜力（ BMC Surg. 20, 4 (2020)）。然而，这种方法的穿透深度有限(~3 mm)，无法提供甲状旁腺组织灌注和氧合的相关信息，而这些信息是手术期间保护甲状旁腺的关键因素（ BMC Surg. 20, 4 (2020)）。
高光谱成像(HIS，Hyperspectralimaging)是一种以多种波长采集组织图像的方法。术中也可使用这一技术，根据血红蛋白和氧合浓度以及水和脂质含量的差异所表现出的光谱变化来区分甲状腺和甲状旁腺组织（ Curr. Dir. Biomed. Eng. 4, 399–402 (2018)）。与传统影像一样，HSI获得了良好的空间分辨率(每像素25微米)，但其穿透深度比荧光成像浅。因此，HSI只能用于评估组织的极浅层，这限制其在组织应用中的整体准确性和诊断潜力（Cancers 11, 756 (2019)；J.Biophotonics 12, e201900086 (2019)）。
通过漫反射光学断层扫描(DOT，diffuse opticaltomography)实现了组织深处的光学可视化，这是一种记录漫射光(通常在NIR范围内)的技术，漫射光通过组织传播至几毫米至几厘米的深度。作为一种断层扫描技术，DOT使用数学反演来计算组织中的光子吸收和光子散射图，分别是血红蛋白浓度和细胞密度的代表性图像。在计算实验中探索了使用DOT进行甲状腺的无创内分泌成像（ Int. J. Numer. Method Biomed.Eng. 33, e2826 (2017)）。然而，组织的强光子散射会降低作为深度函数的空间分辨率(尤其是对于大于5 mm的深度)，并增加记录信息的不确定性，尤其是在量化吸收和散射对比度方面。由于这些限制，DOT和相关的光学技术尚未在临床内分泌学中被广泛接受。
光声成像是一种替代的光学成像方式，结合了光学对比度的优势和在组织深处提供高分辨率图像的能力。然而，虽然其他光学技术对光吸收和散射都很敏感，但光声成像中的对比度主要是由光吸收引起的。在这种形式中，由于吸收光能的分子吸收不同强度的光，通过检测在组织内激发的超声波来感测光学对比度(稍后将更详细地描述)。在不使用标记的情况下，光声成像可以通过记录多个波长的光声图像并使用光谱解混技术，根据氧合血红蛋白和去氧血红蛋白、黑色素、脂质、胶原蛋白和水的吸收光谱对其进行解析。自20世纪70年代末以来，该技术一直被考虑用于成像应用（Appl. Phys. Lett. 36, 815–816 (1980)）。此外，在接下来的几十年里取得了相当大的进展，使得能够在动物模型和人体内对机体组织进行成像，从组织血管化和氧合中分辨出对比度（ Nat. Photonics 9, 219–227 (2015)，此文详细概述MSOT技术及应用；Appl. Opt. 41, 4722–4731 (2002)；Appl. Opt. 43, 3401–3407 (2004)）。然而，仅在过去5年中，该技术才足够成熟，能够在专用实验室环境之外的人体内实现高性能生物医学成像（ N. Engl. J. Med. 376, 1292–1294 (2017)：NEJM关于炎症性肠病MSOT影响的文献；Nat. Med. 25, 1905–1915 (2019)：Nature子刊关于DMD罕见病MOST影响的文献；Sci. Transl Med. 7, 317ra199 (2015)；Radiology 288, 355–365 (2018)）。
一种称为多光谱光声断层扫描(MSOT，multi-spectral optoacoustic tomography)的光声学手持设备方案目前已在小鼠和人类中被独特地用于评估与内分泌学相关的多种不同状况，包括氧化代谢（CellMetab. 27, 689–701 (2018)：棕色脂肪BAT的MOST研究；Cell Metab. 29, 518–538 (2019)：组织代谢影响新技术概述文献）、肌肉氧合和低氧血症（ Nat. Commun. 7, 12121 (2016).；Ann. Transl Med. 9, 36 (2021)）、心血管成像（Radiology 281, 256–263 (2016)；JAMA Dermatol. 154, 1457–1462 (2018)；Photoacoustics 19, 100172 (2020)；Photoacoustics 14, 19–30 (2019)）、肌肉营养不良（Nat.Med. 25, 1905–1915 (2019)）、炎症（N. Engl. J. Med. 376, 1292–1294 (2017)）以及血管化和总血量（JAMADermatol. 154, 1457–1462 (2018)；Clin. Cancer Res. 23, 6912–6922 (2017):MSOT在乳腺癌的应用；Biomed. Opt. Express 8, 3395–3403 (2017)）。重要的是，这些情况的可视化是在不使用造影剂(非标记)的情况下完成的，通常使用两种或更多种波长来基于固有组织光吸收分子的光谱产生对比度(稍后详细讨论)。光栅扫描光声介观(RSOM，raster-scanoptoacoustic mesoscopy)等技术可获得更高的图像分辨率，但组织深度较浅（ Nat. Biomed. Eng. 3, 354–370 (2019):MSOT技术概述和生物医学应用）。而2019年的一项研究表明，扩展至中红外光谱范围(2500–12000nm)的光声显微镜可以在非标记模式下实现蛋白质、碳水化合物和脂质的独特可视化（Nat.Biotechnol. 38, 293–296 (2020)：MIROM技术用于细胞代谢）。而相对普遍的光声成像技术，如光谱光声断层扫描(sPAT，spectral photoacoustic tomography)和光声显微镜检查(photoacoustic microscopy， PAT) （Photoacoustics 14, 77–98 (2019)；Interface Focus. 1, 602–631 (2011)；Laser Photon. Rev. 7, 758–778 (2013)）也已用于人类以对乳腺癌（Radiology 288, 355–365 (2018)；Photoacoustics 12, 30–45 (2018)）和关节炎（.Sci.Rep. 7, 15026 (2017)）进行成像，并用于在动物模型中实现检测（ Interface Focus. 1, 602–631 (2011)；Nat. Biotechnol. 24, 848–851 (2006)；J. Biomed. Opt. 17, 061202 (2012)）。
本文涉及：
独立的MSOT、RSOM和混合光声和超声系统的现状和临床潜力。
解释了光声成像的工作原理，并将其与早期使用光学成像技术进行的研究进行比较。
通过该技术检测的生物医学和临床相关信息，特别关注非标记，即无需使用造影剂即可实现的成像和造影类型。
当前在内分泌学中的应用，该技术作为一种便携式、安全且具有高传播潜力的方法可能具有临床潜力。
操作和对比原理
光声成像是一种光学成像技术，利用瞬态光能(通常为纳秒量级的光子脉冲)照亮组织（Interface Focus. 1, 602–631 (2011)）。组织中不同分子对激发光的吸收导致吸收部位的组织产生快速热弹性膨胀（Nat.Methods 13, 627–638 (2016)），从而产生可由超声检测器检测到的传播超声波。超声波被记录在组织表面的多个位置。对于每个检测器位置和光子脉冲，记录与时间相关的超声信号，较晚的时间对应于组织中较深的光学对比度，较早的信号时间对应于较浅的组织。随后，通过使用图像重建技术(断层摄影)对记录在所有位置的所有时间信号进行数学组合来形成吸收图像（Sensors 13, 7345–7384 (2013)）。光声成像基本上是一种三维成像方法，因为超声检测器可以放置在组织表面周围或跨组织表面扫描，从而实现沿着二维成像，而深度(或到检测器的距离，第三维)从传播的超声中包含的时间相关信息中获得。
使用超声检测器而不是光学相机检测光吸收，可实现高声学分辨率和高光学对比度成像，因为图像形成受生成超声波的衍射控制，而不是光扩散控制，例如在DOT中（Chem. Rev. 110, 2783–2794 (2010)），由于超声检测器用于记录超声信号，许多光声实现也使用相同超声元件产生超声波的电子器件，因此也与光声图像并行地检测超声图像（Photoacoustics 19, 100172 (2020)）。由于光在组织中的传播速度比声音快得多，因此可以在光脉冲和声音脉冲之间发送小的时间延迟(在微秒范围内)，并且几乎同时记录超声和光声波以用于混合成像。
光谱:第四维度
虽然可以在单个波长下形成图像，但是在几个波长下对组织的照射(例如在MSOT)使得能够检测提供光谱第四维度的多个图像（Nat.Photonics 9, 219–227 (2015).）。例如，典型的光源模式可以使用20种不同的波长扫描700–1000nm的光谱范围，扫描步长为15 nm。在这种情况下，每种波长的扫描产生20幅图像的叠加，即“多光谱叠加”。多光谱叠加可以进行光谱解混，以量化重建图像每个像素中不同发色团的浓度。该光谱解混步骤使用所记录的MSOT数据，以及与每种应用相关的特定发色团的已知吸收光谱库，以产生一组图像，该组图像定量地映射所捕获的视野内的发色团的分布(图1)。值得注意的是，三维MSOT光谱解混(即跨越不同组织维度)中的特定挑战是照明光与组织之间的相互作用非线性地取决于深度和波长。这种依赖性产生了一个独特的计算问题，如果不加以解决，可能会影响光谱解混的定量、灵敏度和特异性。为了克服这个问题，先进的非线性光谱解混技术已经被提出，该技术提高了根据深度识别组织中不同发色团的准确度（ IEEE Trans. Med. Imaging 37, 2070–2079 (2018)）。
图1:光声技术。
光声对比及其与内分泌学应用的关系
大多数光声临床研究集中于在NIR（近红外）中成像固有对比度，即内源性组织发色团(chromophores，表2)。NIR是优选的，因为光在该光谱区域可以传播数厘米。特别是，在650–850nm光谱窗口内对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白进行成像，可揭示与氧合和血液浓度相关的组织生理学信息（N.Engl. J. Med. 376, 1292–1294 (2017)；Nat. Med. 25, 1905–1915 (2019)；Cell Metab. 27, 689–701 (2018)；Clin. Cancer Res. 23, 6912–6922 (2017)）。氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的总和与总血容量有关，这是一个与炎症相关的参数（N.Engl. J. Med. 376, 1292–1294 (2017)），45，其中组织活化刺激(例如棕色脂肪组织BAT的冷暴露)后的总血容量比率表示灌注（Cell Metab. 27, 689–701 (2018)）。此外，组织血氧饱和度(oxygen saturation，SO2)图可计算为氧合血红蛋白与总血容量的比率，SO2的速率与氧利用率，即氧化代谢有关（N.Engl. J. Med. 376, 1292–1294 (2017)；Nat. Commun. 7, 12121 (2016)；J. Biophotonics 13, e201960169 (2020)）。后一节中会提到，这些参数与各种内分泌疾病相关，包括甲状腺炎、甲状腺结节和实质灌注、缺氧、肿瘤中的血管形成和代谢变化。此外，可在930 nm处检测到脂质，此即为脂质的吸收峰（Photoacoustics 14, 19–30 (2019)），这些检测结果可揭示与白色脂肪组织(WAT)和BAT相关的参数，以及血流和特定组织区域中的脂质浓度。此类测量值与许多与脂质紊乱相关的病理有关，如甲状腺功能亢进、肥胖、多囊卵巢综合征以及甲状腺或肾上腺肿瘤。最后，在NIR区域内，可以在970 nm吸收峰处检测水（Photoacoustics 14, 19–30 (2019)）。水测量可用作参考测量或用于评估内分泌器官中的囊性结构。值得注意的是，研究表明可以在约1，000 nm的光谱峰值处记录胶原蛋白。该信息可用于成骨不全症(影响骨骼、皮肤、肌肉和牙齿等多种器官和组织的遗传性结缔组织疾病)患者的成像（Eur. J. Endocrinol. 171, R79–R90 (2014)；J. Musculoskelet. Neuronal Interact. 17, 1–7 (2017)）。
表2 光声对比
使用造影剂(如注射的染料、纳米颗粒)和在动物模型中通过表达报告基因可以增强光声对比（ Chem. Commun. 53, 4653–4672 (2017)；Nat. Methods 13, 639–650 (2016)）。尽管在临床前应用中检查了多种药物，但目前只有少数药物符合临床使用条件。例如：
吲哚青绿（indocyaninegreen）是一种有机染料，已广泛用于多种临床应用，包括视网膜血管造影术和肝清除率研究；值得注意的是，吲哚菁绿在NIR中表现出高吸收截面，可用光声检测（Biomaterials 37, 415–424 (2015)）。
由于金纳米粒子能够产生高对比度，因此也考虑使用金纳米粒子来改善光声图像对比度（Nanomedicine 10, 299–320 (2015)）。
一类新的非金属纳米粒子配方正在出现，与金粒子相比，它表现出更好的光稳定性和更高的吸收截面(从而改善对比度)（Biomaterials 37, 415–424 (2015)；Nat. Commun. 10, 1114 (2019)）。
然而，在人体内使用外部造影剂需要进行严格的安全性评估，并且会增加检查的成本和风险。因此，光声造影剂主要用于动物研究（Chem. Commun. 53, 4653–4672 (2017)；Nat. Methods 13, 639–650 (2016).）。
光声成像装置
现代光声系统已用于临床前或临床应用，具有多种配置和技术规格。在光声成像中，深度和分辨率与使用的超声检测器频率成反比（Nat. Methods 7, 603–614 (2010)）。例如：
通过在几兆赫的频率下(例如中心频率为4–6兆赫，带宽为0.1–10兆赫)进行选择性成像，可以在200–300微米的分辨率下实现2–4厘米的深度(即宏观)。
在几十兆赫的频率下成像(例如，中心频率为50兆赫，带宽为10–100兆赫)能够以可扩展的方式在高达~1厘米的深度上成像，但分辨率只有几十微米(即介观和显微)。（图1）
值得注意的是，当使用超短光脉冲进行激发时，组织中的所有超声频率都被激发。
使用可捕获数百兆赫(>100兆赫)频率的检测器接近光学显微镜(< 10微米)在几毫米(1–2毫米)深度范围内的典型分辨率。
或者，聚焦光源可用于光声显微镜，与光学显微镜直接类似。在这种情况下，组织穿透也通常是亚毫米(< 1毫米)，但分辨率遵循光学衍射定律，亚微米横向分辨率(< 1微米)是可能的。
宏观（Macroscopy）
高能量每脉冲的快速可调激光器的发展使得能够以高达每秒100帧的速度进行实时光声成像（Nat.Photonics 9, 219–227 (2015)；Opt. Lett. 38, 1404–1406 (2013)），每帧图像可能以不同的波长成像。因此，这些激光器适用于视频速率多波长成像，成像速度可达每秒5-10个MSOT帧。检测基于3–10 MhZ范围内频率的多元超声阵列和相应的模数转换器阵列，模数转换器阵列并行、实时地收集、数字化和存储超声信号。为用于临床(图2，3)、手持式扫描仪(图1，2a)通常以与超声检查的混合形式来实现，利用相同的公共超声检测器阵列来发射超声以及检测超声和光声信号（Cell Metab. 27, 689–701 (2018)；Photoacoustics 14, 19–30 (2019)）。同样的MSOT成像原理也适用于小动物的成像(图4,5)。可使用手持式系统或带有专用小动物成像支架的系统进行动物成像(图4a)（Cell Metab. 27, 689–701 (2018)；Cell 175, 1561–1574 (2018)）。对于后者，被麻醉的动物或感兴趣的组织样本通常被放置在由透明膜制成的圆柱形保持器中。膜被水包围，以将超声耦合到换能器(记录超声的设备)。尽管临床应用的扫描仪覆盖100–180°的角度，但专用动物扫描仪对于水平放置的动物可达270°（ Sci. Rep. 9, 12052 (2019)），对于垂直放入成像室的动物可达360°。总体而言，较高的角度覆盖范围提供更完整的数据集，并在较小的角度覆盖范围内提高成像性能。
图2:内分泌学中的临床光声学:甲状腺和微血管成像。
图3:内分泌学中的临床光声学:成像代谢。
图4:内分泌学中的临床前光声学:成像BAT。
图5:使用MiROM对细胞代谢产物进行成像。
介观(Mesoscopy)
介观检查表明成像分辨率更高(5–100微米)，但需要比宏观检查能采集更高频率和更高带宽的传感器(也就是说工作在几十兆赫和更高，10–100兆赫)。这种高频性能通常不是通过探测器阵列实现的，探测器阵列通常被限制在几十兆赫(20-30兆赫)（ IEEE Trans. Med. Imaging 34, 672–677 (2015)）。因此，高性能介观测量通常通过宽带单元件探测器来实现，该探测器可以在更高的频率下工作。由于使用了单个元件，介观成像需要探测器在组织上扫描，其装置称为RSOM（Opt.Lett. 39, 6297–6300 (2014)）(图2c)。还报告使用约20 MHz范围内的探测器阵列运行的中尺度系统（Neoplasia 18, 459–467 (2016)）。
超宽带(UWB)频率检测技术的引入将介观和微观分辨率结合到了一个检测器组中，其带宽可达200 MHz以上（Opt. Lett. 39, 3911–3914 (2014)；Opt. Lett. 38, 2472–2474 (2013)）。UWB RSOM已被用于评估动物和人的各种器官中的微脉管系统，包括人的皮肤，并且能够对接近表皮(< 10微米分辨率)的毛细血管以及深血管丛的较大的小动脉和小静脉进行成像（Opt. Lett. 39, 6297–6300 (2014)）。通常，超宽带RSOM的视野跨度为几十立方毫米，图像可以在几十秒(15–45s)内采集（ IEEE Trans. Med. Imaging 36, 1287–1296 (2017)）。与MSOT相似，使用RSOM在多个波长下照明可使氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白可视化(表2)，已用于解析组织和微血管中的微血管密度、氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的分布以及SO2（ Opt. Lett. 44, 4119–4122 (2019).）。此外，血管大小分布和血管密度的测量结果已被用于量化皮肤炎症（ J. Biophotonics 9, 55–60 (2016)）。同样，已使用UWB RSOM对脂质和水成像进行了演示，并将其用于使组织脂肪组织层和皮脂腺可视化（ Opt. Lett. 44, 4119–4122 (2019).）。功能研究也可以通过记录内皮依赖性对应激的充血反应来进行，例如应用短暂(例如3-5分钟)袖带闭塞或加热（ J. Biophotonics 11, e201700359 (2018)；Laser Phys. Lett. 15, 045602 (2018)；Trends Pharmacol. Sci. 27, 503–508 (2006)）。由于UWB RSOM实现了高分辨率和高对比度，因此可以以非标记的方式记录整个微血管树的功能反应（ J. Biophotonics 11, e201700359 (2018)）。
显微（Microscopy）
与RSOM一样，光声显微镜也需要光栅扫描，要么是高频检测器，要么是聚焦光束（Opt.Lett. 39, 6297–6300 (2014)）。目前，与荧光方法更精细的光学显微镜相比，光声显微镜缺乏用于标记细胞功能的成熟标记。尽管已对络氨酸酶（tyrosinase）（Nat. Photonics 9, 239–246 (2015)）或其他报告子和标记（ Sci. Rep. 4, 3939 (2014)；Opt. Lett. 40, 367–370 (2015)）的使用进行了研究，但未显示荧光蛋白或试剂在光学显微镜检查中的普遍适用性。因此，光声操作发展背后的驱动力是其与传统光学设置的集成，由此光声检测产生的吸收对比度信息补充光学性能。这一前提的一个有希望的证明是在红外区域的扩展光谱范围内使用光声显微镜。特别是，中红外光声显微术(mid-infraredoptoacoustic microscopy ，MiROM)已在2500–12000 nm的光谱范围内使用（Nat.Photonics 13, 609–615 (2019)；Nat. Biotechnol. 38, 293–296 (2020)），并能够在不需要外部标签的情况下可视化生物分子的振动跃迁（ Nat. Biotechnol. 38, 293–296 (2020)）。MiROM可以对活细胞内的蛋白质、碳水化合物和脂质进行成像，其灵敏度优于Raman 显微镜（ Analyst 142, 4018–4029 (2017)），后者是一种检测光子固有弱非弹性散射的光学方法。
内分泌学应用
光声方法具有独特的无标记探测能力，可记录疾病引起的生理组织改变，可用于基础发现、推进诊断以及监测疾病进展和治疗效果。通过便携和使用安全的光能，光声模式也适用于频繁和纵向测量，并且与超声检查的并行应用兼容。光声造影剂在动物和细胞研究中的应用使得生物标志物的大范围检查成为可能。其中包括血管生成和血管形态、组织氧合或缺氧和代谢（.CellMetab. 27, 689–701 (2018)）、炎症（ N. Engl. J. Med. 376, 1292–1294 (2017)；Clin. Cancer Res. 23, 6912–6922 (2017)）、脂质和水（Photoacoustics 14, 19–30 (2019)）等特征。
甲状腺疾病
甲状腺是一个高度血管化的器官，产生激素，影响器官功能、代谢率和蛋白质合成。甲状腺的功能成像为结构病理学(即结节和癌症)或功能病理学(即甲状腺功能亢进或格雷夫斯病以及桥本甲状腺炎或甲状腺功能减退)（ Med. J. Aust. 205, 179–184 (2016).）提供诊断和治疗学(在单个系统中成像和治疗递送的组合)。当前的成像技术既可以使用核医学技术监测放射性造影剂的摄取，也可以通过多普勒超声评估甲状腺中的血流。
通过基于血红蛋白对比成像血管化和氧合，MSOT可用于甲状腺的增强功能表征，而脂质和水含量成像可提供甲状腺病理生理学参数信息。关键是对健康志愿者的初步研究证明了MSOT显像甲状腺血管特征的潜力（Photoacoustics 4, 65–69 (2016)）。这些研究激发了对甲状腺解剖结构光声成像的兴趣(图2b)和在弥漫性甲状腺疾病或结节性病变中的功能，以及在非标记的情况下可视化与恶性肿瘤相关的变化的可能性。特别是，MSOT显示，与对照组(n = 8)相比，Graves病患者(n = 6)的总血量增加，甲状腺实质内的脂质含量减少（ J. Nucl. Med. 60, 1461–1466 (2019)）(图2Bc，2Bd)。此外，MSOT成像显示，与良性甲状腺结节患者(n = 13)相比，恶性甲状腺结节患者(n = 3)存在缺氧和脂质含量降低（ J. Nucl. Med. 60, 1461–1466 (2019)）(图2Be，2Bf)。此外，基于血红蛋白对比，光声成像可揭示多普勒超声不可见的人甲状腺癌小血管，并提供多普勒读数（. Biomed. Opt. Express 8, 3449–3457 (2017)）提供的血流显像以外的功能参数。这些试点研究显示MSOT在不进行电离辐射或造影剂注射的情况下提供甲状腺功能成像的潜力。检查时间短(~5分钟)和MSOT的便携性提供了方便的使用，并可在临床推广。
糖尿病、肥胖与代谢
糖尿病是最常见的内分泌疾病。糖尿病成像对于可视化胰腺β细胞的功能损伤以及该疾病对心血管、神经、胃肠、肌肉骨骼和其他系统的影响非常重要（ Arch. Clin. Nephrol. 2, 017–025 (2016)）。光声成像可通过对糖尿病并发症进行定量成像，对患者进行糖尿病严重程度分期。例如，MSOT已用于对健康志愿者的外周血管系统成像，以及评估桡动脉的内皮大血管功能(动脉粥样硬化的早期生物标志物（Biomed.Opt. Express 8, 3395–3403 (2017)），在糖尿病中加速进展)。此外，基于血红蛋白对比，MSOT在对小鼠（Gastroenterology 154, 807–809 (2018)）和人（N.Engl. J. Med. 376, 1292–1294 (2017)）的肠道以及对健康志愿者（ J. Biophotonics 13, e201960169 (2020)）和外周动脉疾病患者（Ann. Transl Med. 9, 36 (2021)）的外周肌肉的血液动力学和氧合进行成像方面显示出前景，这两种器官在糖尿病患者中可能受到影响，分别表现为糖尿病性胃肠病（Curr.Treat. Options Gastroenterol. 15, 490–507 (2017)）或肌病（Biochem .Pharmacol. 4, 1000 e179 (2015)）。皮肤微血管结构和反应性也可以通过RSOM进行非常详细的评估(图2c)，并且RSOM已经用于患者以表征慢性炎性疾病，例如银屑病（Nat. Biomed. Eng. 1, 0068 (2017)）。这些研究表明，RSOM是一种非常有效的皮肤微血管病成像方法，是糖尿病的定量指标（Circulation 134, 1339–1352 (2016)；Diabetes 24, 944–957 (1975)；Circulation 118, 968–976 (2008)；Cardiovasc. Diabetol. 16, 11 (2017)）。这种微血管损伤可能出现在与疾病全身表现相关的临床明显症状出现之前（Circulation 134, 1339–1352 (2016)）。因此，通过使用皮肤微血管作为糖尿病的生物标志物，RSOM可为糖尿病并发症的便携式表征和精确分期提供手段。
除血红蛋白对比增强外，MSOT还可使脂质和脂肪组织可视化(图3a)用于评估内分泌和代谢功能。最近，MSOT已被用于在食用高脂肪食物（ Mol. Metab. 47, 101184 (2021)）后对人体动脉、静脉和软组织(皮下脂肪组织和骨骼肌)内的脂质动态进行成像。此研究还显示，该方法可根据两种组织类型的光谱特征差异来解析非标记WAT和BAT库（Cell Metab. 27, 689–701 (2018)）。此外，在志愿者中冷诱导的BAT代谢激活得以解决(图3b)，使用的是基于SO2速率对比的光声成像(表1)。通过去甲肾上腺素注射激活BAT的小鼠研究(稍后描述)进一步支持使用无标记光声学法记录代谢的能力。基于血管代谢偶联的相同原理，即代谢需求决定血流量和耗氧量，MSOT已用于健康志愿者，以将肌肉灌注和氧合变化成像为不同挑战(如锻炼或血液供应阻断)的函数（J. Biophotonics 13, e201960169 (2020)；Opt. Lett. 40, 1496–1499 (2015)）。在2019年的一项研究中，使用RSOM法生成了人体皮内脂质以及其他几种内源性发色团(例如血红蛋白、黑色素和水)（Opt. Lett. 44, 4119–4122 (2019)）的详细图像。皮肤脂肪组织也与各种疾病有关，包括肥胖和糖尿病相关的病理生理学（Nat.Rev. Endocrinol. 14, 163–173 (2018)；Med.Hypotheses 95, 39–44 (2016)；Adv. Ther. 31, 817–836 (2014)），并且可以使用光声技术进行非侵入性研究。
内分泌肿瘤的手术指导
已经探索光声成像用于指导手术，特别是用于更好地定位肿瘤块或避免损伤表面下血管结构。这种潜力已在各种类型的外科手术中得到探索，包括卵巢癌（ Mod. Pathol. 31, 1770–1786 (2018).）和胰腺癌（Ann.Surg. Oncol. 25, 1880–1888 (2018)）的手术，内分泌肿瘤的手术如经蝶骨入路切除垂体肿瘤手术（ Photoacoustics 3, 78–87 (2015)）。此外，已建议使用基于安装在手术工具上的光纤的小型化光声警告装置，在垂体手术过程中使用光声引导以避免颈动脉损伤（ Int. Arch. Otorhinolaryngol. 18, S173–S178 (2014)）。
研究应用和动物研究
光声成像已被用作许多动物研究的研究工具，可为小鼠提供高分辨率的全身成像。例如，在植入小鼠后腿的FTC133甲状腺肿瘤中（ Clin. Cancer Res. 19, 1494–1502 (2013)），使用对基质金属蛋白酶MMP2和MMP9敏感的显像剂(通过小动物MSOT分离)研究蛋白酶活性。光声成像还用于表征绝经后骨质疏松动物模型的骨微结构（Opt.Express 23, 25217–25224 (2015)）。此研究在接受卵巢切除、卵巢切除加唑来膦酸腹腔内骨保存治疗或假手术的雌性大鼠的切除股骨标本上进行。通过分析测量的光声信号的频谱检查骨样本。在小鼠BAT的激活，也可根据去甲肾上腺素21、分泌素（Cell 175, 1561–1574 (2018)）或icilin（Nat. Commun. 9, 4304 (2018)）激活后的SO2速率记录(表2)，这些物质均可诱导BAT产热。在这些研究中，MSOT读数显示，与静息状态下的BAT相比，活化BAT中的氧合血红蛋白信号和脱氧血红蛋白信号均明显增加(图4b)。在这些研究中，还记录了BAT激活后肩胛间BAT区域内的总血容量增加。
MiROM（Nat.Biotechnol. 38, 293–296 (2020).）的开发使其不仅可用于小动物研究，还可用于活细胞中脂质、碳水化合物和蛋白质等代谢参数的无标记成像(图5)。例如，使用MiROM观察在异丙肾上腺素诱导的棕色脂肪细胞(来源于分化的前体BAT)和白色脂肪细胞(分化的3T3-L1)的脂解过程中脂滴的时空动态。由于其能够可视化键特异性分子对比，MiROM可能能够直接监测代谢过程中的激素。例如，基于氨基酸或基于蛋白质的激素(例如胰岛素)可以使用amide I和酰amide II吸收带检测，而类固醇(例如皮质醇)可以通过在指纹区域（Res.Biomed. Eng. 32, 293–300 (2016)）中的吸收带检测。MiROM可以进一步与其他光谱区域的成像相结合，例如观察组织血管化和氧合的可见光(380–750nm)（Sci. Rep. 9, 14306 (2019)）或监测脂质代谢的近红外(780–2,500nm)（Biomed. Opt. Express 9, 276–288 (2018)）。此外，MIROM可以很容易地与其他显微镜技术结合在多模式杂交装置中（Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 20335–20339 (2010)），以揭示几种生物路径之间有趣的串扰（Photoacoustics 4, 102–111 (2016).；Opt. Lett. 39, 1819–1822 (2014)；Light. Sci. Appl. 7, 109 (2018)）。
结论
光声成像有四大优势推动其在内分泌学研究中的进展。
首先，它解决了光学成像的基本限制，首次实现了体内组织深处发色团的高分辨率和定量成像。
其次，它提供了与组织功能和代谢相关的无创、无标记对比成像。
第三，它可以与超声检查同时进行，使用相同的超声检测器，从而能够同时收集补充信息。
最后，它具有便携性和高安全性，因此适用性好。
光声成像也存在前述局限性，可能会影响其在内分泌学中的应用。
尽管基于光的成像技术以高分辨率达到了前所未有的深度(例如，MSOT为2–4cm)，但由于光能随深度衰减，与其他技术相比，光声成像的穿透深度仍然较差(例如，基于PET、MRI或X射线的技术，表1)。因此，使用光声技术对较深的器官(例如，胰腺或肾上腺)或脂肪组织进行成像是苦难的。
此外，目前许多光声系统都是手持式的，这就需要在实用性和准确性之间进行权衡。手持式探头配有小型超声检测器阵列，其几何形状可覆盖有限的视角(例如130–180°)。有限的视角在解剖结构真实尺寸的最终表示中引入了不准确性，并阻碍了数据的精确解释。补偿上述伪影的新型光声图像重建算法的设计有望进一步提高记录图像的精度。
此外，光声成像，尤其是临床技术(例如MSOT和RSOM)，容易受到降低图像质量的运动伪影的影响。这些伪影可能取决于患者(如脉动、呼吸或患者自主运动)或取决于操作者(例如，扫描期间探头的不规则运动)。已经开发了几种算法来为微观、介观(例如，RSOM)和宏观(例如，MSOT)光声应用提供运动校正（IEEE Trans. Med. Imaging 38, 2139–2150 (2019)；Sci. Rep. 7, 10386 (2017)；Appl. Sci. 9, 2737 (2019)）。
随着内分泌学应用的发展，预计该技术将广泛应用于研究与各种疾病进展相关的代谢和功能状况。因此，光声学作为重要进展可以促进内分泌学领域未来研究，如肥胖中的脂肪组织和肥胖治疗期间的脂肪组织研究、神经内分泌肿瘤、糖尿病微血管病变和心脏代谢疾病中的细胞脂质动力学，从而更精确地评估疾病阶段和可能干预措施的效果。
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陈康2021.06