血管网络的空间拓扑结构与血流动力学状态共同决定组织灌注边界，是外科切除范围判定、重要血管保护及术后功能评估的重要依据。光声血管成像以血红蛋白等内源性吸收体为主要对比来源，兼具光学吸收敏感性和超声深度分辨能力，可实现活体微血管网络的高分辨三维可视化。然而，高分辨成像通常伴随较小的单次视野，而扩大视野又受到扫描速度限制；自由手持扫描还易受呼吸、心跳、组织形变及探头抖动影响，造成配准误差累积和三维结构失真。因此，如何在动态自由扫描条件下兼顾高分辨、大视野与实时性，并获得全局一致、能够保留血管三维结构及血流功能信息的全景地图，是光声血管成像面向术中导航与组织灌注评估亟待解决的关键科学问题。
针对上述问题，我们团队提出了一种实时光声血管成像追踪与建图方法（PAATAM）。该方法融合血管几何结构与光声信号强度纹理，将连续局部扫描数据转化为探头定位和三维建图依据，实时估计手持探头六自由度位姿，并结合三维点云分割、运动畸变补偿和后端优化，将局部高分辨血管图像统一到全局坐标系中，实现自由手持条件下的三维全景血管重建。在复杂动态条件下，该方法实现了 99.67% 的配准精度（图1）。
图1 实时光声血管追踪与三维全景建图方法示意图
在扫描过程中，系统将连续采集的光声数据同步重建为三维血管点云、强度投影图像和深度图像。光声信号的时间延迟反映血管三维结构，信号强度则表征血红蛋白吸收分布及局部纹理信息。研究团队利用强度特征提供初始位姿估计，并从三维血管点云中提取边缘和平面等几何特征约束空间匹配；两类特征进一步参与前端追踪和交叉验证，并结合运动畸变补偿及滑动窗口因子图优化，有效降低组织运动、低纹理区域、局部耦合不稳定和手持抖动造成的追踪退化与累积漂移，使连续局部扫描能够稳定形成全局一致的三维血管地图（图2）。
图2 PAATAM 追踪与建图原理示意图
研究团队进一步在人体口腔和大鼠胃部分切除模型中进行了验证。结果表明，在呼吸、心跳、组织曲面变化及局部耦合不稳定等复杂条件下，系统仍可连续重建器官表面的三维血管网络。在大鼠胃部分切除实验中，术前扫描可快速构建手术区域的三维血管导航图，显示拟切除区域与保留血管之间的空间关系；术后再次扫描可评估主要血管的保留情况。进一步结合光声光流方法，系统还可获得血流速度和方向信息，并动态监测大鼠胃左动脉、胃左静脉夹闭及再灌注过程中的血流动力学变化，实现血管三维结构与血流功能的联合评估（图3）。
图3 大鼠胃部分切除及血流动力学成像验证
本研究利用光声图像天然包含的血管几何结构与信号强度信息，实现了自由手持扫描过程中的实时探头追踪和全局三维全景建图，并进一步融合血流速度与方向分析，形成兼具血管拓扑与血流动力学信息的结构—功能一体化成像方法。该研究为突破高分辨光声成像单次视野有限、二维拼接深度信息缺失及自由扫描误差累积等问题提供了新的技术路径，为复杂曲面器官的术中血管导航、组织灌注判断和术后功能评估提供了方法基础。