光声 - 超声断层扫描（Photoacoustic-Ultrasound Tomography, PAUT）活体小动物成像多功能平台是一种融合光声成像（PAI）与超声成像（US）优势的高端生物医学设备，可同时提供组织的功能代谢信息和高分辨率结构影像，在肿瘤研究、神经科学、心血管疾病等领域具有广泛应用。以下从技术原理、核心功能、应用突破及最新进展展开分析：
一、技术原理与核心功能
1.双模态协同成像机制
光声成像：通过短脉冲激光（波长 680-2000 nm）激发组织内源性（如血红蛋白、黑色素）或外源性（如纳米探针）光吸收体，光能转化为热能引发热弹性膨胀，产生超声波信号。光声信号反映组织的光学吸收特性，可实现血氧饱和度（sO₂）、血流分布等功能成像。
超声成像：通过高频超声探头（13-55 MHz）获取组织声阻抗差异形成的结构影像，分辨率可达 30-75 μm，提供血管形态、器官边界等解剖学信息。
实时融合：两种模态信号同步采集并自动共定位，例如 Vevo F2 LAZR-X 系统可同时输出光声功能图与超声结构像，实现 “功能 - 结构” 一体化分析。
2.多尺度成像能力
高分辨率显微成像：在无造影剂条件下，光声成像可对 3 mm 内组织实现微米级分辨率（如脑血管、胶质淋巴管）；结合外源性造影剂（如 ICG），穿透深度扩展至 6 mm，分辨率仍保持微米级。
深层组织穿透：低频超声探头（1-71 MHz）与近红外二区（NIR II, 1064-2000 nm）激光结合，可实现 9 cm 深度成像，适用于大鼠、兔等较大动物模型。例如，Vevo F2 LAZR-X 通过低频探头兼容，突破传统光声成像深度限制，清晰显示深部肿瘤血管网络。
3.多模态扩展与动态分析
光谱解混：多波长激光扫描（如 532 nm、770-840 nm、1064 nm）可区分不同光吸收体，例如分离氧合血红蛋白（HbO₂）与脱氧血红蛋白（Hb），生成 sO₂分布图。
三维重建与动态追踪：通过机械扫描或声学振镜实现 3D 容积成像（如 2.5×2.5×2.5 cm 区域 3 秒快速扫描），并支持连续时空光谱分析，例如监测肿瘤血管生成动态或药物递送过程。
超声功能增强：结合多普勒模式（如彩色多普勒、脉冲多普勒）可量化血流速度、方向，而超声造影剂（如微泡）可评估组织灌注。
二、典型应用与研究突破
1.肿瘤生物学研究
血管生成与耐药监测：光声成像可无标记显示肿瘤内部异常血管（如 U-87MG 胶质瘤的动静脉畸形），结合超声结构像评估血管密度与形态。例如，微重力培养的胶质母细胞瘤类器官在光声 - 超声平台下，可实时观察替莫唑胺耐药模型的血管重塑过程。
药物递送评估：负载 FeNP/ICG 的微胶囊（尺寸 4±0.5 μm）通过光声信号追踪，实现肿瘤内药物分布的超分辨率成像（分辨率 20 μm），并结合血流速度图谱优化给药方案。
2.神经科学与脑功能研究
脑血管与胶质淋巴成像：光声 - 超声系统可清晰显示小鼠脑皮层血管网络（分辨率 50 μm）及胶质淋巴系统，例如区分皮层穿透血管与软脑膜血管，为中风、阿尔茨海默病研究提供新工具。
神经活动关联成像：通过光声 sO₂成像结合超声多普勒，可同步监测神经元活动引发的局部血流变化，例如在癫痫模型中定位异常放电区域。
3.心血管疾病建模
血流动力学量化：光声血流速度图谱（精度 6.9 mm/s）与超声多普勒结合，可分析动脉粥样硬化模型的斑块内新生血管血流特征，评估抗血管生成药物疗效。
心肌功能评估：M 超模式（运动模式）结合光声 sO₂成像，可同步测量心脏收缩期 / 舒张期室壁厚度变化及局部缺氧情况，适用于心梗后修复研究。
4.类器官与空间生物学
三维类器官监测：在微重力培养的母细胞瘤类器官中，光声 - 超声平台可实时观察血管网络形成（直径 > 100 μm）及药物渗透动态，例如 CAR-T 细胞在类器官内的穿透深度从 150 μm 提升至 300 μm。
空间转录组关联：结合结构融合增强图卷积网络（SFE-GCN），光声断层扫描图像可自动分割肝脏、肾脏等器官，为空间转录组数据分析提供精准解剖定位。
三、技术优势与商用平台
1.核心技术优势
高性价比多模态：与 MRI/PET 相比，光声 - 超声平台成本降低 60% 以上，且无需电离辐射，适合长期动态研究。
快速与灵活性：实时成像（光声 20 帧 / 秒，超声 1000 帧 / 秒）支持术中导航，例如在肿瘤切除模型中实时定位残留病灶。
跨尺度兼容性：从斑马鱼（体长 <2 cm）到猪（体长> 50 cm）均可适配，例如 Vevo F2 LAZR-X 通过低频探头实现大鼠全脑（15 mm 范围）超分辨血管图谱。
2.主流商用平台
Vevo F2 LAZR-X（富士胶片）：
光声分辨率 50 μm，超声分辨率 30 μm，成像深度达 9 cm。
支持近红外一区（680-970 nm）与二区（1200-2000 nm）多光谱扫描，兼容低频探头（1-71 MHz）。
应用案例：肿瘤血管生成、心血管功能评估、大动物模型成像。
光 - 声多模态小动物成像仪（国产）：
无造影剂时 3 mm 内微米级分辨率，使用造影剂扩展至 6 mm。
集成光声显微镜、超声显微镜与传统光学显微镜，支持 532 nm、NIR I、NIR II 多波长同步成像。
应用案例：脑血管、肝脏、肾脏等多器官显微成像。
ClinoStar 3D 系统（Synthecon）：
结合微重力培养与光声 - 超声成像，支持类器官动态监测。
旋转壁生物反应器与实时成像模块无缝对接，适用于肿瘤耐药模型构建。
四、技术挑战与未来方向
1.当前技术瓶颈
成像速度限制：光声成像受激光重复频率（通常 20 Hz）制约，动态追踪高频生理过程（如心跳）需依赖超高速激光器。
数据处理复杂性：三维光声 - 超声数据量庞大，需 AI 算法加速重建（如深度学习加速图像解混）。
造影剂生物安全性：外源性纳米探针（如 FeNP/ICG 微胶囊）的长期毒性仍需验证，可降解材料（如聚电解质）成为研究热点。
2.前沿研究方向
超分辨率成像：结合单粒子定位技术（如 LOT），光声成像分辨率从 50 μm 提升至 20 μm，实现深层组织微血管动态追踪。
多模态融合创新：集成光声 - 超声与荧光分子断层扫描（FMT），实现 “结构 - 功能 - 分子” 三位一体成像，例如在肿瘤模型中同步显示血管、代谢热点及靶向探针分布。
太空生物学应用：计划在国际空间站（ISS）部署轻量化光声 - 超声平台，研究微重力环境下肿瘤类器官的血管生成机制，为深空探测任务提供风险评估模型。
五、数据资源与研究工具
1.开源数据库
GEO 数据库：GSE131928、GSE140819 等单细胞测序数据集可用于光声 - 超声图像的基因表达关联分析。
SFE-GCN 模型：结构融合增强图卷积网络代码开源，支持腹部光声断层扫描图像的自动器官分割。
2.标准化流程
质控标准：通过 H&E 染色与免疫荧光验证光声 - 超声成像的解剖准确性，要求肿瘤边界与组织学切片差异 < 15%。
多中心研究：礼升生物的胶质母细胞瘤类器官生物库（200 + 患者样本）与光声 - 超声成像数据结合，支持跨机构药物筛选研究。
总结
光声 - 超声断层扫描活体小动物成像多功能平台通过 “功能 - 结构” 双模态协同，为生物医学研究提供了高分辨率、实时、非侵入的成像解决方案。其在肿瘤血管生成、脑功能监测、类器官研究等领域的应用，以及超分辨率成像、多模态融合等技术突破，使其成为连接基础研究与临床转化的关键工具。随着设备小型化、AI 算法优化及太空实验的推进，该技术有望在个性化医疗和深空探索中发挥更大价值。
