基于光聲/超聲融合的小動物活體多模態成像系統是一種結合光聲成像（PAI）與超聲成像（US）技術優勢的先進生物醫學成像設備，能夠同時提供高分辨率解剖結構信息與深層組織功能代謝數據，在活體小動物研究中展現出顯著的技術突破與應用價值。以下從技術原理、系統優勢、應用領域及典型設備四個方面展開分析：
一、技術原理：光聲與超聲的協同互補
1.光聲成像（PAI）
原理：利用脈沖激光照射生物組織，組織中的光吸收體（如血紅蛋白、黑色素或外源性造影劑）吸收光能后產生瞬時熱膨脹，激發超聲波（光聲波）。通過超聲探頭接收這些信號并重建圖像，可反映組織的光吸收特性。
優勢：
高對比度：對血管、腫瘤等光吸收差異顯著的組織敏感，無需注射外源性造影劑即可可視化血紅蛋白氧飽和度（sO?）和總血紅蛋白（HbT）。
深層穿透：近紅外激光（如680-970 nm）穿透深度可達數厘米，突破傳統光學成像的局限。
2.超聲成像（US）
原理：通過高頻聲波反射形成組織解剖結構圖像，提供器官輪廓、血管走向等形態學信息。
優勢：
實時性：幀頻高（如Vevo LAZR-X可達1000幀/秒），可捕捉動態生理過程（如心臟搏動、血流動力學）。
無創性：無需輻射或侵入性操作，適合長期跟蹤研究。
3.融合技術
多模態同步：光聲與超聲信號通過同一探頭或共定位系統采集，實現解剖結構與功能代謝的精準匹配（如腫瘤邊界與血氧分布的疊加顯示）。
互補增強：超聲提供深層結構框架，光聲填充功能細節，解決單一模態的穿透深度與分辨率矛盾。
二、系統優勢：突破傳統成像瓶頸
1.高分辨率與深層成像的平衡
光聲成像分辨率可達30-100微米（依賴探頭頻率），超聲成像軸向分辨率通常為30-200微米，二者結合可實現毫米級分辨率下數厘米穿透深度，適用于乳腺、肝臟等深層器官研究。
2.功能與分子信息的全面獲取
血氧監測：通過雙波長激光（如750 nm與850 nm）計算氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白比例，評估組織氧代謝狀態。
血管生成分析：光聲成像可清晰顯示腫瘤新生血管網絡，超聲多普勒模式可量化血流速度與方向。
分子探針兼容性：支持納米顆粒、熒光染料等外源性造影劑，實現特定分子（如腫瘤標志物、神經遞質）的靶向成像。
3.實時動態監測能力
高速成像系統（如Vevo 3100 LT）可連續采集數據，支持心臟功能評估、藥物代謝追蹤等動態研究。例如，在光動力治療中，光聲成像可實時顯示腫瘤壞死范圍，超聲成像可同步監測組織彈性變化。
4.無創性與安全性
避免輻射暴露（如X-ray CT）和放射性示蹤劑（如PET），適合長期反復觀察同一動物模型，減少個體差異對實驗結果的影響。
三、應用領域：覆蓋基礎研究與臨床前研究
1.腫瘤研究
早期診斷：通過光聲成像檢測微小腫瘤（直徑<1 mm）及其血管特征，結合超聲成像評估腫瘤硬度（彈性成像）。
療效評估：動態監測化療、免疫治療等手段對腫瘤血供和氧代謝的影響，為治療方案優化提供依據。
2.心血管研究
心肌灌注成像：光聲成像可視化心肌血流分布，超聲成像評估心室功能（如射血分數、心肌應變）。
動脈粥樣硬化分析：結合多色光聲造影劑區分斑塊成分（如脂質核心、纖維帽），預測破裂風險。
3.神經科學研究
腦功能連接：利用鈣離子指示劑（如GCaMP）與熒光成像監測神經元活動，光聲成像評估腦血氧變化，揭示神經-血管耦合機制。
神經退行性疾病模型：追蹤β-淀粉樣蛋白沉積、tau蛋白病理變化及神經元丟失過程。
4.發育生物學研究
胚胎成像：高頻超聲探頭（如MX700，30-70 MHz）可清晰顯示小鼠胚胎心臟、血管和腦部結構，光聲成像監測胚胎血流動力學變化。
四、典型設備：技術參數與性能對比
1.Fujifilm Visualsonics Vevo LAZR-X
光聲模塊：
激光波長：680-970 nm（近紅外一區） + 1200-2000 nm（近紅外二區）。
動態范圍：70 dB，信噪比：30 dB ± 10 dB，靈敏度<100 nM（染料/納米材料）。
超聲模塊：
探頭配置：MX250（14-28 MHz，大鼠心臟/腹部）、MX550D（26-52 MHz，小鼠心血管/腫瘤）、MX700（30-70 MHz，小鼠胚胎/眼部）。
成像模式：B模、M模、彩色多普勒、能量多普勒、組織多普勒、4D成像。
應用場景：腫瘤血管生成、心肌灌注、胚胎發育、藥物代謝動力學研究。
2.TomoWave Lois 3D
光聲模塊：
激光波長：660-2300 nm，成像深度≥4.5 cm。
掃描速度：2.5×2.5×2.5 cm3區域快速掃描僅需3秒。
超聲模塊：
超聲換能器：0.1-0.8 MHz，支持對比劑成像。
應用場景：全身光聲成像、納米材料靶向性評估、大型動物（如兔）心血管研究。
3.多模式融合創新
光聲-超聲-熒光三模態系統：結合熒光成像的高靈敏度（如追蹤GFP標記的腫瘤細胞），實現結構-功能-分子信息的同步獲取。
光開關技術：通過控制光聲信號生成相關的屬性（如吸收系數），實現特定細胞或分子的高對比度成像，解決組織背景干擾問題。
