小动物活体光声 / 超声双模态成像系统是融合光声成像（PAI）与超声成像（USI）优势的高端设备，可同步获取组织的解剖结构、功能代谢及分子特异性信息。以下结合 2025 年最新技术进展与应用案例，从核心技术、创新突破、典型应用及行业动态等方面展开深度解析：
一、技术原理与系统架构的革新
1. 光声 - 超声协同机制的突破
共焦集成设计：富士胶片 2025 年推出的 Vevo F2 LAZR-X 采用同轴光纤与超声探头布局，实现光声激光（680-970nm/1200-2000nm）与超声信号的空间位置误差＜±5μm。其 PA EKV 技术可使心血管光声成像帧频达 1000 帧 / 秒，实时捕捉心脏搏动时的血氧分布动态变化。
声学扫描振镜技术：清华大学团队开发的单换能器快速扫描系统，通过一维声学振镜实现扇形声束扫描，超声成像分辨率达 150μm，光声成像深度达 3cm，系统体积缩小至传统设备的 1/3。该技术已用于小鼠脑血管三维重建，扫描时间缩短至 100 秒 / 幅。
2. AI 驱动的智能成像优化
基础模型赋能图像处理：华中科技大学团队提出的 SAMPA 工作流，基于 Segment Anything Model（SAM）实现无需训练的光声图像分割与重建。例如，在人体手部成像中，SAMPA 可自动去除皮肤信号干扰，精准显示深层血管网络，处理速度达 0.1 秒 / 帧。
深度学习降噪算法：针对内窥探头的电磁干扰问题，Aline-CNN 与 Aline-UNet 模型通过时域波形数据训练，在兔直肠活体成像中使结构相似性（SSIM）提升至 0.8589，采集时间缩短 70%。
二、核心性能参数与典型应用
1. 超高分辨率与深穿透能力
分辨率：上海交通大学系统的 MX550S 探头超声分辨率达 40μm，光声分辨率 50μm，可清晰显示小鼠心脏瓣膜运动及肿瘤新生血管。西安交通大学的设备支持 1000 帧 / 秒超声采集，动态捕捉斑马鱼胚胎心跳（600bpm）的实时三维结构。
穿透深度：Vevo F2 LAZR-X 兼容低频探头（1-71MHz），光声成像深度达 9cm，适用于大鼠全脑及肿瘤转移模型的全身扫描。近红外二区（1064nm）光声成像在猪肝脏模型中实现 6mm 深度的微血管（50μm）可视化。
2. 多维度功能解析能力
血氧代谢评估：深圳大学研发的头戴式显微镜（1.7g），同步记录自由活动小鼠神经元钙信号（GCaMP6f）与血氧饱和度（sO₂），在癫痫模型中发现发作前 30 秒脑区氧消耗异常（ΔsO₂＞15%）。
分子特异性检测：清华大学纳米碳示踪技术（粒径 50nm）在乳腺癌前哨淋巴结定位中，光声信号对比度达 17.7 倍，已进入多中心临床试验阶段，定位准确率超 92%。
3. 动态监测与定量分析
心血管功能评估：Vevo LAZR 系统通过光声光谱拆分，区分动脉粥样硬化斑块内的血红蛋白（532nm）与脂质成分（1064nm），结合超声弹性成像量化斑块易损性。
药物代谢追踪：清湃科技 Marsonics PIIP 平台结合近红外二区成像，在小鼠模型中实现纳米抗体（150kDa）从注射到肿瘤富集的全程动态监测（t1/2=4.2h）。
三、技术趋势与行业动态
1. 国产设备的跨越式发展
性能对标进口：清湃科技 2025 年推出的 RT-PIIP3D 三维实时光声系统，采用面阵探测器与并行采集技术，实现各向同性分辨率 50μm 的实时三维成像（5 帧 / 秒），价格仅为进口设备的 1/3。
智能化集成：赛吉生物 SARC-P 系列集成 AI 算法，通过机器学习预测最佳激光波长与扫描参数组合，在 CHO 细胞抗体生产优化中使分泌量提升 25%。
2. 临床转化的关键突破
首款国产双模态临床设备：深圳迈瑞 2024 年获批的超声光声一体机，通过近红外激光同步获取组织血氧分布，在甲状腺结节良恶性鉴别中，光声微血管密度（MVD）指标的 AUC 达 0.89，显著优于单纯超声。
术中导航应用：清华大学团队开发的 “光声多模态淋巴结智能定位系统”，体积仅 30×20×15cm³，在猪模型中实现术中前哨淋巴结的实时引导切除，耗时＜5 分钟，定位误差＜1mm。
3. 跨学科融合的创新应用
基因功能研究：庄小威团队的 Perturb-Multi 平台，结合光声 / 超声成像与单细胞测序，在小鼠肝脏模型中揭示肝细胞分区（Zonation）的遗传调控机制。例如，敲除 Wnt 通路关键基因 Ctnnb1 后，中央静脉区基因表达下调 43%，伴随肝窦结构重塑。
神经退行性疾病：华南师范大学团队在脓毒症模型中，利用光声显微成像（12.1μm 分辨率）动态监测血脑屏障渗漏，发现 6 小时即出现埃文斯蓝（EB）渗出（渗漏速度 72.5%），较传统 MRI 提前 48 小时预警。
四、典型案例与用户反馈
1. 科研突破
心血管疾病机制研究：北京大学医学部利用 Vevo LAZR 系统，在高脂饮食大鼠模型中发现，光声检测的斑块内脂质核心体积（＞2mm³）与超声弹性成像的硬度值（＞50kPa）呈强正相关（r=0.87），为易损斑块识别提供双模态标志物。
肿瘤治疗监测：某生物制药公司使用 DARC-S10 系统，在三阴性乳腺癌 PDOs 模型中，7 天内完成 20 种化疗药物的敏感性评估，准确率达 82%，较传统 2D 培养缩短 50% 时间。
2. 工业界应用
纳米材料研发：基尔比生物 Kilby Gravity 系统结合微重力培养与光声成像，在模拟月球重力（0.17g）下制备的骨再生支架，孔隙率提升 20%，成骨细胞黏附面积增加 3 倍。
药物递送优化：利影医疗平台通过光声 - 超声联动，在小鼠模型中动态追踪载药脂质体（100nm）的肿瘤穿透效率，发现超声微泡爆破可使药物渗透率提升 3.8 倍。
3. 用户评价
高校实验室反馈：西安交通大学实验动物中心数据显示，其 Vevo F2 LAZR-X 设备年使用时长超 2000 小时，在肿瘤转移研究中，光声 - 超声联合诊断的灵敏度（91%）显著高于单一模态（超声 78%，光声 83%）。
企业研发评价：某跨国药企技术总监指出，清湃科技 RT-PIIP3D 的三维成像速度（5 帧 / 秒）满足高通量药物筛选需求，单次实验成本降低 60%。
五、挑战与解决方案
1. 运动伪影控制
实时校正技术：超声散斑跟踪算法（Speckle Tracking）在心脏成像中动态补偿呼吸运动（振幅 ±1.2mm），光声信号空间偏移误差＜±5μm。
生理门控触发：华中科技大学系统通过 ECG 触发（R 波同步），在小鼠心脏成像中实现舒张期（dias）与收缩期（syst）的精准分割，时间分辨率达 10ms。
2. 数据融合与分析
多模态数据配准：VisualSonics VevoLAB 软件集成自动配准模块，通过互信息算法（MI）实现光声 - 超声图像的空间对齐，配准误差＜±3 体素（voxel）。
标准化数据库：清华大学联合 12 家单位建立 “小动物光声 - 超声影像数据库”，包含 500 + 例肿瘤、心血管、神经疾病模型数据，支持算法训练与跨中心研究。
3. 临床转化瓶颈
探针标准化：国家药监局 2024 年发布《光声成像对比剂临床试验指导原则》，推动纳米碳、金纳米棒等探针的注册审批流程。
设备便携化：上海交通大学开发的手持式双模态探头（重量＜300g），在猪甲状腺模型中实现术中快速筛查（每例＜2 分钟），已完成动物实验验证。
六、未来发展方向
1.更高维度的信息整合：结合超极化 ¹³C-MRI 与光声成像，实现代谢物（如乳酸）与血氧的同步三维映射，在肿瘤微环境研究中解析 Warburg 效应的时空异质性。
2.长时程动态监测：开发可植入式微型探头（尺寸＜2mm），在小鼠模型中实现连续 28 天的肿瘤生长与治疗响应的实时追踪。
3.AI 深度赋能：构建基于 Transformer 的多模态大模型，实现从原始信号到病理诊断的端到端分析，在神经退行性疾病中自动识别早期病理特征（如 Aβ 斑块）。
4.跨物种应用拓展：优化系统兼容性，在非人灵长类（如食蟹猴）模型中实现心血管疾病与神经精神疾病的临床前研究，加速向人类转化。
总结
小动物活体光声 / 超声双模态成像系统通过技术融合与智能化升级，正在推动生命科学研究从结构观察向功能解析、从静态描述向动态调控的范式转变。其在肿瘤精准治疗、神经退行性疾病机制研究及药物研发中的突破性应用，已展现出巨大的科学价值与临床潜力。随着国产设备性能的提升、AI 算法的深度整合及跨学科研究的推进，该技术有望成为连接基础研究与临床转化的核心工具，为攻克重大疾病提供新的技术路径。
