在臨床前研究中，多模態(tài)光聲-超聲成像技術(shù)通過融合光學(xué)對比度與聲學(xué)分辨率的優(yōu)勢，顯著提升了組織學(xué)研究的深度與精度，其核心優(yōu)勢及典型應(yīng)用場景如下：
一、技術(shù)優(yōu)勢：突破單一模態(tài)的局限性
1.結(jié)構(gòu)-功能一體化成像
超聲成像（US）：提供實時、高分辨率的解剖結(jié)構(gòu)信息（如腫瘤邊界、血管形態(tài)），但無法區(qū)分組織功能狀態(tài)。
光聲成像（PA）：基于光聲效應(yīng)，通過檢測生物分子（如血紅蛋白、脂質(zhì)）吸收光能后產(chǎn)生的超聲波信號，實現(xiàn)高對比度功能成像（如血氧飽和度、代謝率）。
雙模態(tài)融合：PA提供功能信息（如腫瘤血管密度、氧合狀態(tài)），US提供解剖定位，二者結(jié)合實現(xiàn)“結(jié)構(gòu)-功能”同步可視化，例如在腫瘤研究中同時評估邊界與血管新生。
2.多參數(shù)重建與分子特異性
光譜解混技術(shù)：通過切換激光波長（如700nm/850nm），區(qū)分不同發(fā)色團（如血紅蛋白與脂質(zhì)），實現(xiàn)多參數(shù)定量分析。
外源性造影劑增強：納米顆粒（如金納米棒、碳納米管）或熒光分子可特異性標(biāo)記腫瘤新生血管或炎癥區(qū)域，檢測限低至10pM，顯著提升成像靈敏度。
3.動態(tài)監(jiān)測與實時反饋
高速成像能力：結(jié)合GPU加速算法與壓縮感知技術(shù)，實現(xiàn)30幀/秒的實時成像，適用于自由活動動物的動態(tài)研究（如呼吸、心跳對圖像的影響補償）。
無標(biāo)記成像：無需熒光標(biāo)記即可觀察細(xì)胞運動、分裂等過程，避免標(biāo)記毒性并簡化實驗流程。
二、典型應(yīng)用場景：從基礎(chǔ)研究到臨床轉(zhuǎn)化
1.腫瘤研究
血管新生監(jiān)測：PA定量腫瘤血管密度與氧合狀態(tài)，US評估腫瘤邊界，指導(dǎo)抗血管生成治療。例如，在乳腺癌模型中，雙模態(tài)成像靈敏度達92%，較單一超聲提升17%。
治療響應(yīng)評估：通過PA檢測腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)，US觀察瘤內(nèi)細(xì)胞浸潤模式，實時評估免疫治療或化療效果。
2.心血管疾病
斑塊易損性評估：PA區(qū)分斑塊內(nèi)脂質(zhì)核心與纖維帽，US測量斑塊應(yīng)變，聯(lián)合預(yù)測破裂風(fēng)險。例如，在動脈粥樣硬化模型中，該技術(shù)可全面觀測薄纖維帽、脂核及巨噬細(xì)胞活動。
心肌灌注成像：PA定量心肌血容量，US評估室壁運動，綜合評價心肌活力，為心梗治療提供依據(jù)。
3.神經(jīng)科學(xué)
腦功能成像：結(jié)合超聲血氧水平依賴（BOLD）效應(yīng)與PA神經(jīng)遞質(zhì)敏感成像，解析神經(jīng)血管耦合機制。例如，在癲癇模型中，PA檢測發(fā)作期血紅蛋白濃度變化，US引導(dǎo)立體定向電極植入。
腦疾病模型：光聲-超聲雙模顯微鏡系統(tǒng)可清晰成像小鼠虹膜血管、眼底血管及黑色素上皮層，獲得高分辨率三維空間結(jié)構(gòu)。
4.炎癥與免疫研究
類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎評估：北京協(xié)和醫(yī)院團隊利用多模態(tài)PA/US成像定量評估滑膜組織氧飽和度（SO?），發(fā)現(xiàn)低氧狀態(tài)與疾病活動度相關(guān)，為炎性關(guān)節(jié)病活動度精準(zhǔn)評估提供新策略。
免疫細(xì)胞追蹤：基因編碼光聲報告基因（如BphP1）突破傳統(tǒng)光學(xué)成像深度限制，實現(xiàn)活體深腦神經(jīng)元活動監(jiān)測。
三、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向
1.穿透深度與分辨率平衡
近紅外二區(qū)（NIR-II，1000-1700nm）激光可實現(xiàn)5cm穿透深度，但需權(quán)衡分辨率（通常100-500μm）。超振蕩透鏡或微球陣列技術(shù)可將橫向分辨率提升至λ/7（約65nm），但僅限于表層成像。
2.系統(tǒng)小型化與智能化
集成微型激光器（如光纖激光器）與柔性超聲陣列，開發(fā)可穿戴式多模態(tài)成像設(shè)備，用于自由活動動物研究。
結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法（如U-Net架構(gòu)），實時補償呼吸/心跳引起的圖像畸變，提升活體成像穩(wěn)定性。
3.臨床轉(zhuǎn)化與標(biāo)準(zhǔn)化
目前全球僅5款光聲設(shè)備獲FDA/CE認(rèn)證，主要瓶頸在于激光安全標(biāo)準(zhǔn)（IEC60825）限制與成本控制。半導(dǎo)體激光器替代固態(tài)激光器可使系統(tǒng)成本降低60%。
NIST正在建立仿體測試標(biāo)準(zhǔn)（如ZB-2023-179），涵蓋波長校準(zhǔn)到定量分析的12項參數(shù)，以提升可重復(fù)性。
