小动物活体皮肤腔道无标记成像装置是一类结合光学、声学和智能算法的高端科研设备，旨在无需外源性标记物的前提下，实现对实验动物皮肤、消化道、呼吸道等腔道组织的实时动态观察。这类装置通过整合光声成像、光学相干断层扫描（OCT）、多光子显微镜等技术，突破了传统成像方法在深度、分辨率和功能信息获取上的局限，已成为肿瘤研究、神经科学、心血管疾病等领域的关键工具。

一、核心技术原理与多模态集成

1.光声成像（PAI）的深度突破

光声成像创新性地结合光学对比度与超声分辨力，通过脉冲激光激发组织内源性物质（如血红蛋白、黑色素）产生热弹性膨胀，进而转化为超声信号进行三维重构。例如，波长 1064nm 的近红外二区（NIR-II）光声成像可穿透达 4.8cm，清晰呈现小鼠脑血管网络动态变化，并在肝纤维化分期中通过微米级分辨率检测异常血管形态。其内窥模块可深入消化道，实现结直肠微血管与组织层次的共定位可视化。

2.OCT 的浅表高分辨优势

OCT 利用低相干光干涉技术，对皮肤表层（<400μm）实现 14μm 级分辨率，适用于黑色素瘤厚度测量等浅表结构分析。例如，中南大学实验动物学部的小动物三维活体成像系统结合 OCT 与荧光光谱拆分功能，可量化皮损血供程度。

3.多光子显微镜的细胞级解析

多光子显微镜通过双光子激发荧光（TPEF）和二次谐波产生（SHG），在清醒动物中实现亚微米分辨率成像。例如，中国科学院脑智卓越中心开发的超分辨技术（MLS-SIM）可在小鼠皮层中以 150nm 分辨率追踪神经元树突棘动态，同时容忍每秒 50 微米的运动伪影。

4.多模态融合提升诊断效能

商业化装置如 Ani-Plus 集成光声、超声和光学显微镜，可同步获取血管密度、血氧饱和度等结构 - 功能信息。深圳技术大学的 Vevo®LAZR-X 系统则结合超声与光声，实现肿瘤血管新生与灌注的实时监测。

二、典型应用场景与实验案例

1.皮肤与腔道微循环研究

皮肤血管评估：光声成像可非侵入性揭示小鼠皮肤从表皮到皮下组织的复杂解剖结构，支持穿支皮瓣术前定位与术后存活评估。

肠道病理监测：脓毒症模型中，光声内窥成像通过检测肠道血氧饱和度变化，发现动脉血管浅表层分布、静脉血管更深的规律，并量化脓毒症引发的缺血程度。

2.肿瘤与药物治疗研究

光动力治疗（PDT）评估：光声成像动态监测小鼠背部肿瘤血管密度与扭曲度变化，指导 PDT 方案优化。

纳米药物递送追踪：短波红外染料聚集体（如 ESi5-S）经尾静脉注射后，可通过双通道荧光 / 光声成像揭示其在骨骼、肝脏的分布及肝胆代谢路径。

3.神经与心血管疾病研究

脑血管动态分析：SIP-PAT 系统实现小鼠全脑血流动力学实时成像，支持缺血 - 再灌注模型中血管修复效果的量化评估。

神经元突触可塑性：MLS-SIM 技术在清醒小鼠中捕捉树突棘尖刺动态，并发现 PSD-95 蛋白聚团与树突主干小突起的共定位现象，为突触形成机制提供新证据。

三、技术挑战与解决方案

1.深度 - 分辨率权衡

光声成像在 NIR-II 窗口（如 1064nm）虽穿透更深，但分辨率受限于超声波长（约 12.5μm）；多光子显微镜虽达亚微米分辨率，但深度通常 < 1mm。解决方案包括：

波长优化：结合 532nm（血管成像）与 1064nm（深层穿透）双波长光声激发，实现结构与功能信息互补。

AI 增强重建：UI-Trans Net 通过深度学习提升光片显微图像信噪比 3-5 倍，克服散射干扰。

2.运动伪影与噪声控制

呼吸、心跳导致的位移可通过两相呼吸门控（如 Quantum GX2 的回顾性门控技术）和高速扫描（如 SIP-PAT 的 50Hz 帧频）抑制。此外，光声成像的单脉冲二维图采集（<100mJ/cm² 激光剂量）可避免运动模糊。

3.内窥探头微型化

ENDOQ 内窥镜通过 2mm 超细探头与可充气设计，实现小鼠肠道无创重复检查，避免传统硬镜导致的爆肛风险。光声内窥探头则通过光纤集成与 360° 螺旋扫描，在 1.2mm 景深内实现 12.5μm 分辨率。

四、商业化产品与技术趋势

1.代表性装置

Ani-Plus：光 - 声 - 超声三模态系统，支持 3mm 内微米级成像，配备加热麻醉装置以维持动物生理状态。

SIP-PAT：全球首款全身光声断层成像仪，穿透深度 4.8cm，可同步获取灌注、氧合等功能信息。

IVScope 8000Pro：24 通道宽光谱荧光成像结合光声模块，支持多色染料与近红外二区成像。

2.国产化与成本优化

倍捷锐的无标记高内涵活细胞成像仪通过定量相位成像技术，将同类进口设备成本从 300 万 - 500 万元降至 100 万元以下，同时保持荧光成像功能。

3.前沿技术融合

AI 赋能：UI-Trans Net 等算法实现斑马鱼心跳影像信噪比提升，未来可扩展至实时病变识别。

多模态探针：华东理工大学开发的短波红外纳米丝带染料聚集体，同时实现荧光与光声双通道成像，支持肿瘤微环境多参数分析。

五、操作规范与维护策略

1.动物管理

需通过温控载物台（20-40℃）和 EQUAFLOW 呼吸装置维持动物生理状态，避免麻醉气体浓度不均影响实验重复性。

2.预防性维护

光学系统：定期清洁镜头与滤光片，使用专用清洁剂避免损伤镀膜。

激光校准：每年通过 NIST 标准光源校准激发光强度，确保信号定量准确性。

软件更新：及时安装固件升级，修复潜在漏洞并优化算法（如光谱分离精度提升）。

3.故障处理流程

建立包含备件库存（如激光晶体、超声换能器）与快速响应机制的维护体系，例如通过 TIRF Lock™反馈控制实时监测光声信号稳定性。

六、未来发展方向

1.微型化与便携化：开发可植入式探头，实现自由活动动物的长期动态监测。

2.多尺度成像：结合宏观光声断层与微观多光子显微，构建从器官到细胞的全维度数据链。

3.智能决策支持：集成机器学习模型，实现成像数据的自动化病理分析与治疗方案推荐。

这类装置的发展不仅推动基础研究的突破，更为临床前药物研发提供了高效验证平台，有望加速转化医学的进程。