大鼠活体多模态光声超声成像系统：技术原理、应用与进展
一、技术原理与核心优势
1. 技术原理
光声成像（PA）：利用脉冲激光照射组织，内源性（如血红蛋白、黑色素）或外源性（如纳米粒子）生色基团吸收光能后产生热弹性膨胀，发射超声波。超声探头接收信号并重建图像，提供分子吸收谱信息。
超声成像（US）：通过高频超声波（18-70 MHz）探测组织界面反射，生成解剖结构图像，分辨率最高达40μm。
多模态融合：光声与超声信号实时共定位，结合光学高对比度与超声高穿透深度，避免伪影，实现结构与功能信息的同步获取。
2. 核心优势
无创无辐射：无需电离辐射或造影剂，适合长期活体监测（如肿瘤生长、心血管功能）。
高灵敏度与分辨率：
光声：检测氧合/脱氧血红蛋白、黑色素及外源造影剂，血氧饱和度定量精度高。
超声：提供心脏、血管等解剖结构的高分辨率图像（如MX550D探头分辨率40μm）。
多参数成像：支持2D/3D实时成像、血流动力学分析（如彩色多普勒）、药物代谢追踪（如ICG分布）。
二、系统组成与关键参数
1. 典型系统：富士Vevo® LAZR-X
超声模块：
探头：MX250（18-26 MHz）、MX550D（30-40 MHz）、MX700（40-70 MHz），适配大鼠、小鼠及斑马鱼。
模式：B-Mode（结构成像）、M-Mode（运动分析）、彩色/脉冲多普勒（血流检测）、组织多普勒（心肌功能评估）。
光声模块：
激光器：脉冲可调式，波长覆盖近红外一区（680-970 nm）和二区（1200-2000 nm）。
模式：单波长扫描、全光谱扫描、血氧扫描（Oxy-Hemo），支持外源造影剂（如纳米粒子）检测。
成像能力：
分辨率：轴向分辨率75μm（MX250S）至40μm（MX550S）。
帧率：超声最高1000帧/秒，光声20帧/秒。
穿透深度：数厘米，NIR-II波段提升深层组织成像能力。
2. 操作与监测
动物固定：配备大鼠/小鼠操作台，支持三维调节（X/Y/Z轴）及360°旋转。
生理监控：实时同步体温、ECG（心率/心律）、呼吸节律，确保实验安全性。
三、应用场景与典型案例
1. 肿瘤研究
肿瘤监测：
追踪肿瘤血管新生、血流动力学变化，评估抗血管治疗（如贝伐珠单抗）效果。
示例：加州大学旧金山分校利用该系统研究肝脏类器官，探索微重力对组织生长的影响，未来可能用于个性化移植。
药物代谢：
监测外源造影剂（如ICG）在肿瘤中的分布与蓄积，优化给药方案。
案例：韩国浦项科技大学通过连续扫描PACT系统，动态追踪ICG在小鼠体内的代谢路径，验证光声成像在药代动力学中的准确性。
2. 心血管疾病
心脏功能评估：
无创获取心室壁厚、心腔体积、血流速度等参数，区分正常、肥胖及高血压大鼠模型的结构差异。
案例：加州理工学院3D-PACT系统实现大鼠心脏动态成像，结合心电图同步，清晰展示搏动周期中的血管（如主动脉、肺动脉）变化。
血管疾病：
检测血栓、动脉粥样硬化等病变，评估血流动力学异常。
3. 神经科学
脑功能成像：
结合NIR-II光声成像与AIE纳米粒子，观察脑部血管及脑卒中过程。
案例：香港科技大学与浙江大学合作，利用NIRⅡ-MS系统实现大鼠脑血管高分辨率成像（直径9.1μm血管清晰可见），为脑疾病研究提供工具。
神经退行性疾病：
监测帕金森病、阿尔茨海默病模型中的神经血管耦合变化。
4. 再生医学与类器官
微重力环境整合：
结合旋转生物反应器，培养更接近体内环境的肿瘤类器官，提升药物筛选准确性。
示例：北京基尔比生物公司系统已用于肿瘤类器官药物筛选，优化化疗方案。
四、最新研究进展与技术挑战
1. 技术优化
成像速度提升：韩国浦项科技大学开发连续旋转扫描PACT系统，成像速度达9秒/帧，保持高分辨率，适用于全身动态成像。
深度学习应用：
利用AI算法优化图像重建，提升信噪比，实现超分辨率成像及杂波抑制。
案例：知乎专栏报道基于模型的深度学习在超声成像中的应用，通过压缩采样与神经边缘计算提升数据处理效率。
多模态融合：结合MRI或CT，提供更全面的解剖与功能信息，如肿瘤与周围组织的关系。
2. 挑战与未来方向
设备成本与复杂性：需平衡参数控制与操作便捷性，推动商业化产品（如Vevo LAZR-X）的普及。
临床转化：探索从大鼠到人类的成像参数适配，推动新生儿心血管成像等临床应用。
类器官整合：进一步优化微重力与光声超声的协同，提升类器官模型的生理相关性。
五、结论
大鼠活体多模态光声超声成像系统通过光声与超声的协同，为生物医学研究提供了无创、高分辨率、多参数的成像解决方案。其广泛应用于肿瘤、心血管、神经科学等领域，并持续受益于技术优化（如NIR-II成像、深度学习）与跨学科融合（如类器官、微重力）。未来，该技术有望推动个性化医疗、药物研发及临床前研究的突破，成为生物医学成像领域的重要工具。
