小動物活體成像技術是現(xiàn)代生物醫(yī)學研究的核心工具之一，尤其在腫瘤學、心血管疾病、神經(jīng)科學及藥物研發(fā)領域，其非侵入性、實時動態(tài)監(jiān)測的能力為疾病機制解析和療效評估提供了關鍵支持。傳統(tǒng)成像技術（如MRI、CT、PET）雖具有高分辨率或功能代謝分析能力，但存在輻射損傷、成本高昂或無法實時觀測等局限。相比之下，光聲成像（Photoacoustic Imaging, PAI）作為一種新興的多模態(tài)成像技術，通過結合光學激發(fā)與超聲檢測，實現(xiàn)了高對比度、高穿透深度（可達數(shù)厘米）的活體組織成像，同時可量化血氧飽和度、血紅蛋白濃度等生理參數(shù)，成為小動物研究中的理想選擇。
一、系統(tǒng)研制背景與核心技術
小動物活體多模態(tài)光聲成像系統(tǒng)通過整合光聲成像、超聲成像、熒光成像及白光成像技術，實現(xiàn)了對活體動物組織結構、功能代謝及分子事件的實時、無創(chuàng)、高分辨率監(jiān)測。其核心技術包括：
1.光聲-超聲雙模態(tài)成像
光聲成像：利用脈沖激光照射生物組織，組織吸收光能后產(chǎn)生熱彈性膨脹，發(fā)射超聲波，通過超聲探頭接收信號并重建圖像。該技術結合了光學成像的高對比度與超聲成像的高穿透深度，可清晰顯示血管、腫瘤及功能代謝信息（如血氧飽和度）。
超聲成像：提供解剖學結構信息，與光聲圖像共配準，實現(xiàn)結構與功能的雙重驗證。例如，Vevo?LAZR-X系統(tǒng)通過高頻超聲探頭（30-70 MHz）實現(xiàn)30μm分辨率，支持大鼠、小鼠及斑馬魚的實時成像。
2.多光譜熒光與白光成像
熒光成像：支持綠光至近紅外（415-760nm）多光譜檢測，兼容熒光蛋白、量子點等標記物，用于追蹤分子事件（如基因表達、藥物分布）。
白光成像：提供動物矢狀面及冠狀面解剖參考，輔助精準定位。
3.三維成像與快速掃描
全光譜激光器（660-2300nm）：支持標準掃描36秒完成三維成像，TomoWave系統(tǒng)可實現(xiàn)2.5×2.5×2.5cm空間區(qū)域3秒快速掃描。
真正的3D成像：如EndraNexus128系統(tǒng)采用128個立體式螺旋排列超聲接收器，實現(xiàn)等向性分辨率（各方向分辨率一致），避免切片式掃描的模糊問題。
二、關鍵性能指標與評估
1.分辨率與靈敏度
空間分辨率：Vevo?LAZR-X系統(tǒng)達30μm（高頻超聲），EndraNexus128系統(tǒng)等向性分辨率優(yōu)于切片式掃描，確保深層組織成像清晰度。
靈敏度：TomoWave系統(tǒng)靈敏度達1pmole/L，可檢測低濃度納米探針；EndraNexus128系統(tǒng)靈敏度15nM（ICG，36秒掃描），滿足微量生物標志物檢測需求。
2.穿透深度與成像深度
穿透深度：系統(tǒng)穿透深度均超過4cm，如LOIS-3D系統(tǒng)成像深度達4.5cm，支持大鼠等大型動物的深層組織成像。
成像深度驗證：通過小鼠背部皮下注射1064nm造影劑實驗，驗證系統(tǒng)對深層腫瘤的成像能力。
3.成像速度與通量
快速掃描：EndraNexus128系統(tǒng)3秒完成2.5cm3體積掃描，TomoWave系統(tǒng)支持高通量檢測，顯著提升實驗效率。
動物處理速度：EndraNexus128配備兩套動物托盤，可同時處理兩只動物，減少緩沖時間。
4.多模態(tài)融合與定量分析
共配準技術：光聲與超聲圖像自動對齊，如Vevo?LAZR-X系統(tǒng)提供B模、M模、彩色多普勒等多模式超聲，與光聲圖像同步顯示。
定量分析軟件：支持血氧飽和度、血紅蛋白含量測定及光譜分析，如Kuant 2.5軟件可批量處理圖像并導出發(fā)表級數(shù)據(jù)。
三、應用場景與科研價值
1.腫瘤學研究
腫瘤形態(tài)與灌注成像：監(jiān)測腫瘤生長、血管新生及治療響應。例如，通過光聲成像觀察抗腫瘤藥物對腫瘤血氧飽和度的影響。
納米探針定量：追蹤納米材料在腫瘤中的分布及代謝，評估靶向效率。
2.心血管疾病研究
血流動力學監(jiān)測：利用脈沖多普勒模式測量血流速度，結合光聲成像分析心肌血氧供應，研究心肌炎、血栓等疾病的機制。
3.神經(jīng)生物學與腦功能研究
功能成像：無創(chuàng)監(jiān)測腦部血氧變化，揭示神經(jīng)活動與代謝的關聯(lián)。例如，通過光聲成像觀察癲癇發(fā)作時的腦部血流動態(tài)。
4.藥物研發(fā)與代謝研究
藥物分布與療效評估：實時追蹤藥物在活體中的分布及代謝途徑，優(yōu)化給藥方案。例如，利用熒光成像監(jiān)測化療藥物在腫瘤中的蓄積情況。
四、系統(tǒng)優(yōu)勢與局限性
1.優(yōu)勢
非侵入性與實時動態(tài)監(jiān)測：避免傳統(tǒng)組織切片法的損傷，支持長時間連續(xù)觀察。
多尺度信息融合：結合光學與超聲成像，提供從分子到器官的多層次數(shù)據(jù)。
高靈敏度與分辨率：可檢測低濃度生物分子及微小結構變化。
2.局限性
設備成本與操作復雜度：高端系統(tǒng)價格昂貴，需專業(yè)培訓方可操作。
成像深度與分辨率的平衡：深層組織成像時，分辨率可能略有下降。
探針依賴性：部分功能（如血氧飽和度測量）需外源性造影劑支持。
