大鼠活體多模態(tài)光聲超聲成像系統(tǒng)：技術(shù)原理、應(yīng)用與進展
一、技術(shù)原理與核心優(yōu)勢
1. 技術(shù)原理
光聲成像（PA）：利用脈沖激光照射組織，內(nèi)源性（如血紅蛋白、黑色素）或外源性（如納米粒子）生色基團吸收光能后產(chǎn)生熱彈性膨脹，發(fā)射超聲波。超聲探頭接收信號并重建圖像，提供分子吸收譜信息。
超聲成像（US）：通過高頻超聲波（18-70 MHz）探測組織界面反射，生成解剖結(jié)構(gòu)圖像，分辨率最高達40μm。
多模態(tài)融合：光聲與超聲信號實時共定位，結(jié)合光學(xué)高對比度與超聲高穿透深度，避免偽影，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能信息的同步獲取。
2. 核心優(yōu)勢
無創(chuàng)無輻射：無需電離輻射或造影劑，適合長期活體監(jiān)測（如腫瘤生長、心血管功能）。
高靈敏度與分辨率：
光聲：檢測氧合/脫氧血紅蛋白、黑色素及外源造影劑，血氧飽和度定量精度高。
超聲：提供心臟、血管等解剖結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像（如MX550D探頭分辨率40μm）。
多參數(shù)成像：支持2D/3D實時成像、血流動力學(xué)分析（如彩色多普勒）、藥物代謝追蹤（如ICG分布）。
二、系統(tǒng)組成與關(guān)鍵參數(shù)
1. 典型系統(tǒng)：富士Vevo? LAZR-X
超聲模塊：
探頭：MX250（18-26 MHz）、MX550D（30-40 MHz）、MX700（40-70 MHz），適配大鼠、小鼠及斑馬魚。
模式：B-Mode（結(jié)構(gòu)成像）、M-Mode（運動分析）、彩色/脈沖多普勒（血流檢測）、組織多普勒（心肌功能評估）。
光聲模塊：
激光器：脈沖可調(diào)式，波長覆蓋近紅外一區(qū)（680-970 nm）和二區(qū)（1200-2000 nm）。
模式：單波長掃描、全光譜掃描、血氧掃描（Oxy-Hemo），支持外源造影劑（如納米粒子）檢測。
成像能力：
分辨率：軸向分辨率75μm（MX250S）至40μm（MX550S）。
幀率：超聲最高1000幀/秒，光聲20幀/秒。
穿透深度：數(shù)厘米，NIR-II波段提升深層組織成像能力。
2. 操作與監(jiān)測
動物固定：配備大鼠/小鼠操作臺，支持三維調(diào)節(jié)（X/Y/Z軸）及360°旋轉(zhuǎn)。
生理監(jiān)控：實時同步體溫、ECG（心率/心律）、呼吸節(jié)律，確保實驗安全性。
三、應(yīng)用場景與典型案例
1. 腫瘤研究
腫瘤監(jiān)測：
追蹤腫瘤血管新生、血流動力學(xué)變化，評估抗血管治療（如貝伐珠單抗）效果。
示例：加州大學(xué)舊金山分校利用該系統(tǒng)研究肝臟類器官，探索微重力對組織生長的影響，未來可能用于個性化移植。
藥物代謝：
監(jiān)測外源造影劑（如ICG）在腫瘤中的分布與蓄積，優(yōu)化給藥方案。
案例：韓國浦項科技大學(xué)通過連續(xù)掃描PACT系統(tǒng)，動態(tài)追蹤ICG在小鼠體內(nèi)的代謝路徑，驗證光聲成像在藥代動力學(xué)中的準(zhǔn)確性。
2. 心血管疾病
心臟功能評估：
無創(chuàng)獲取心室壁厚、心腔體積、血流速度等參數(shù)，區(qū)分正常、肥胖及高血壓大鼠模型的結(jié)構(gòu)差異。
案例：加州理工學(xué)院3D-PACT系統(tǒng)實現(xiàn)大鼠心臟動態(tài)成像，結(jié)合心電圖同步，清晰展示搏動周期中的血管（如主動脈、肺動脈）變化。
血管疾病：
檢測血栓、動脈粥樣硬化等病變，評估血流動力學(xué)異常。
3. 神經(jīng)科學(xué)
腦功能成像：
結(jié)合NIR-II光聲成像與AIE納米粒子，觀察腦部血管及腦卒中過程。
案例：香港科技大學(xué)與浙江大學(xué)合作，利用NIRⅡ-MS系統(tǒng)實現(xiàn)大鼠腦血管高分辨率成像（直徑9.1μm血管清晰可見），為腦疾病研究提供工具。
神經(jīng)退行性疾?。?/p>
監(jiān)測帕金森病、阿爾茨海默病模型中的神經(jīng)血管耦合變化。
4. 再生醫(yī)學(xué)與類器官
微重力環(huán)境整合：
結(jié)合旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器，培養(yǎng)更接近體內(nèi)環(huán)境的腫瘤類器官，提升藥物篩選準(zhǔn)確性。
示例：北京基爾比生物公司系統(tǒng)已用于腫瘤類器官藥物篩選，優(yōu)化化療方案。
四、最新研究進展與技術(shù)挑戰(zhàn)
1. 技術(shù)優(yōu)化
成像速度提升：韓國浦項科技大學(xué)開發(fā)連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描PACT系統(tǒng)，成像速度達9秒/幀，保持高分辨率，適用于全身動態(tài)成像。
深度學(xué)習(xí)應(yīng)用：
利用AI算法優(yōu)化圖像重建，提升信噪比，實現(xiàn)超分辨率成像及雜波抑制。
案例：知乎專欄報道基于模型的深度學(xué)習(xí)在超聲成像中的應(yīng)用，通過壓縮采樣與神經(jīng)邊緣計算提升數(shù)據(jù)處理效率。
多模態(tài)融合：結(jié)合MRI或CT，提供更全面的解剖與功能信息，如腫瘤與周圍組織的關(guān)系。
2. 挑戰(zhàn)與未來方向
設(shè)備成本與復(fù)雜性：需平衡參數(shù)控制與操作便捷性，推動商業(yè)化產(chǎn)品（如Vevo LAZR-X）的普及。
臨床轉(zhuǎn)化：探索從大鼠到人類的成像參數(shù)適配，推動新生兒心血管成像等臨床應(yīng)用。
類器官整合：進一步優(yōu)化微重力與光聲超聲的協(xié)同，提升類器官模型的生理相關(guān)性。
五、結(jié)論
大鼠活體多模態(tài)光聲超聲成像系統(tǒng)通過光聲與超聲的協(xié)同，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了無創(chuàng)、高分辨率、多參數(shù)的成像解決方案。其廣泛應(yīng)用于腫瘤、心血管、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域，并持續(xù)受益于技術(shù)優(yōu)化（如NIR-II成像、深度學(xué)習(xí)）與跨學(xué)科融合（如類器官、微重力）。未來，該技術(shù)有望推動個性化醫(yī)療、藥物研發(fā)及臨床前研究的突破，成為生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的重要工具。
