協(xié)同多模態(tài)成像技術(shù)通過整合高分辨率超聲（US）與功能光聲（PA）的優(yōu)勢，為小動物研究提供了從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀功能的全面解析能力。這種技術(shù)不僅突破了單一模態(tài)的局限性，更通過數(shù)據(jù)互補實現(xiàn)了對生物過程的多維動態(tài)追蹤。以下從技術(shù)協(xié)同機制、應用突破及前沿進展展開分析：
一、技術(shù)協(xié)同機制與核心優(yōu)勢
1.雙模態(tài)信號互補原理
超聲結(jié)構(gòu)成像：通過高頻超聲探頭（13-55 MHz）實現(xiàn) 30-75 μm 分辨率的組織聲阻抗差異成像，可清晰顯示血管形態(tài)、器官邊界及腫瘤微結(jié)構(gòu)。例如，玉研 Sonorover 系統(tǒng)通過 256 通道陣元設(shè)計，實現(xiàn)了心肌應變的定量分析，檢測早期心功能異常。
光聲功能成像：利用脈沖激光（680-2000 nm）激發(fā)組織內(nèi)源性（如血紅蛋白）或外源性（如 ICG）光吸收體，通過光聲信號反映血氧飽和度（sO?）、血流分布等功能信息。復旦大學劉超課題組開發(fā)的多光譜光聲顯微成像系統(tǒng)，可同時提取血氧飽和度、血流速度等 10 余項生理指標，檢測時間縮短至亞微秒級。
實時融合機制：兩種模態(tài)信號同步采集并自動共定位，例如 Vevo F2 LAZR-X 系統(tǒng)通過 PA EKV 技術(shù)實現(xiàn)心血管光聲成像幀頻 1000 幀 / 秒，動態(tài)追蹤心跳周期內(nèi)的血流變化。
2.多尺度成像能力擴展
顯微級分辨率：無造影劑時，光聲成像可對 3 mm 內(nèi)組織實現(xiàn)微米級分辨率（如腦血管、膠質(zhì)淋巴管）；結(jié)合外源性造影劑（如 FeNP/ICG 微膠囊），穿透深度擴展至 6 mm，分辨率仍保持 20 μm。
深層組織穿透：低頻超聲探頭（1-71 MHz）與近紅外二區(qū)（NIR II, 1064-2000 nm）激光結(jié)合，可實現(xiàn) 9 cm 深度成像，適用于大鼠、兔等較大動物模型。例如，Vevo F2 LAZR-X 通過低頻探頭兼容，清晰顯示深部腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)的三維分布。
3.動態(tài)功能分析與數(shù)據(jù)挖掘
光譜解混與三維重建：多波長激光掃描（如 532 nm、770-840 nm、1064 nm）可區(qū)分氧合血紅蛋白（HbO?）與脫氧血紅蛋白（Hb），生成 sO?分布圖；結(jié)合機械掃描或聲學振鏡實現(xiàn) 3D 容積成像（如 2.5×2.5×2.5 cm 區(qū)域 3 秒快速掃描）。
AI 驅(qū)動的數(shù)據(jù)處理：武漢光電國家研究中心開發(fā)的 SAMPA 工作流，基于基礎(chǔ)模型（如 Segment Anything Model）實現(xiàn)光聲圖像的自動分割與重建，無需訓練即可在 0.1 秒內(nèi)完成復雜血管網(wǎng)絡(luò)的精準識別。
二、應用突破與典型案例
1.腫瘤研究：從血管生成到精準治療
血管形態(tài)與代謝監(jiān)測：光聲成像可無標記顯示腫瘤內(nèi)部異常血管（如 U-87MG 膠質(zhì)瘤的動靜脈畸形），結(jié)合超聲結(jié)構(gòu)像評估血管密度與形態(tài)。例如，微重力培養(yǎng)的膠質(zhì)母細胞瘤類器官在光聲 - 超聲平臺下，可實時觀察替莫唑胺耐藥模型的血管重塑過程。
藥物遞送與治療評估：負載 FeNP/ICG 的微膠囊（尺寸 4±0.5 μm）通過光聲信號追蹤，實現(xiàn)腫瘤內(nèi)藥物分布的超分辨率成像（分辨率 20 μm），并結(jié)合血流速度圖譜優(yōu)化給藥方案。玉研系統(tǒng)通過 “成像 - 治療 - 成像” 閉環(huán)，實現(xiàn)腫瘤靶向消融與療效實時評估。
2.神經(jīng)科學：腦功能與疾病機制解析
腦血管與膠質(zhì)淋巴成像：光聲 - 超聲系統(tǒng)可清晰顯示小鼠腦皮層血管網(wǎng)絡(luò)（分辨率 50 μm）及膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)，例如區(qū)分皮層穿透血管與軟腦膜血管，為中風、阿爾茨海默病研究提供新工具。
神經(jīng)活動關(guān)聯(lián)成像：通過光聲 sO?成像結(jié)合超聲多普勒，可同步監(jiān)測神經(jīng)元活動引發(fā)的局部血流變化。例如，在癲癇模型中，fUS 技術(shù)以每秒 100 幀的速度捕捉腦血流動態(tài)變化，精準定位異常放電區(qū)域。
3.心血管研究：血流動力學與心肌功能評估
血流速度與斑塊分析：光聲血流速度圖譜（精度 6.9 mm/s）與超聲多普勒結(jié)合，可分析動脈粥樣硬化模型的斑塊內(nèi)新生血管血流特征，評估抗血管生成藥物療效。Vevo F2 LAZR-X 的 PA EKV 技術(shù)支持心血管光聲成像幀頻 1000 幀 / 秒，動態(tài)追蹤心跳周期內(nèi)的血流變化。
心肌功能與缺氧監(jiān)測：M 超模式（運動模式）結(jié)合光聲 sO?成像，可同步測量心臟收縮期 / 舒張期室壁厚度變化及局部缺氧情況，適用于心梗后修復研究。
4.類器官與空間生物學：從培養(yǎng)到成像的閉環(huán)研究
三維類器官動態(tài)監(jiān)測：在微重力培養(yǎng)的母細胞瘤類器官中，光聲 - 超聲平臺可實時觀察血管網(wǎng)絡(luò)形成（直徑 > 100 μm）及藥物滲透動態(tài)。例如，CAR-T 細胞在類器官內(nèi)的穿透深度從 150 μm 提升至 300 μm。
空間轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析：結(jié)合結(jié)構(gòu)融合增強圖卷積網(wǎng)絡(luò)（SFE-GCN），光聲斷層掃描圖像可自動分割肝臟、腎臟等器官，為空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析提供精準解剖定位。
三、技術(shù)進展與未來方向
1.硬件創(chuàng)新與小型化
聲學掃描振鏡技術(shù)：基于單個超聲換能器結(jié)合一維聲學掃描振鏡的雙模態(tài)成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了小型化、低成本與快速成像。例如，實驗室自建系統(tǒng)通過 MEMS 掃描振鏡，在 15.6 mm 范圍內(nèi)實現(xiàn)超聲 1 B 掃描 / 秒、光聲 0.1 B 掃描 / 秒的成像速度。
多模態(tài)融合設(shè)備：國產(chǎn)光 - 聲多模態(tài)小動物成像儀集成光聲顯微鏡、超聲顯微鏡與傳統(tǒng)光學顯微鏡，支持 532 nm、NIR I、NIR II 多波長同步成像，在無需造影劑時實現(xiàn) 3 mm 內(nèi)微米級分辨率。
2.AI 驅(qū)動的功能增強
運動估計與 3D 重建：韓國科學家提出的 MoGLo-Net 模型，通過全局 - 局部注意力機制和塊狀相關(guān)操作，解決了手持式光聲超聲 3D 重建中的運動估計難題，實現(xiàn)復雜軌跡掃描下的高精度血管可視化。
個性化治療模型：基于患者來源類器官（PDOs）的基因表達譜，開發(fā)人工智能驅(qū)動的藥物反應預測模型，實現(xiàn)MYCN擴增、IDH 突變等分子亞型的精準治療。
3.臨床轉(zhuǎn)化與空間應用
醫(yī)療器械認證：華南師范大學楊思華團隊開發(fā)的皮膚光聲顯微成像儀獲國家藥監(jiān)局創(chuàng)新醫(yī)療器械認定，突破皮膚高分辨率檢測的深度極限（>1 mm），用于真皮深層畸形血管檢測。
太空生物學研究：計劃在國際空間站（ISS）部署輕量化光聲 - 超聲平臺，研究微重力環(huán)境下腫瘤類器官的血管生成機制，為深空探測任務提供風險評估模型。
四、挑戰(zhàn)與應對策略
1.技術(shù)瓶頸與解決方案
成像速度限制：光聲成像受激光重復頻率（通常 20 Hz）制約，動態(tài)追蹤高頻生理過程需依賴超高速激光器（如 Vevo F2 LAZR-X 的 PA EKV 技術(shù)）或 AI 加速重建算法。
數(shù)據(jù)處理復雜性：三維光聲 - 超聲數(shù)據(jù)量龐大，需 AI 算法加速重建。例如，SAMPA 工作流通過基礎(chǔ)模型實現(xiàn)無需訓練的高效分割，顯著降低應用門檻。
造影劑生物安全性：外源性納米探針（如 FeNP/ICG 微膠囊）的長期毒性仍需驗證，可降解材料（如聚電解質(zhì)）成為研究熱點。
2.未來研究方向
超分辨率與多模態(tài)融合：結(jié)合單粒子定位技術(shù)（如 LOT），光聲成像分辨率從 50 μm 提升至 20 μm；集成光聲 - 超聲與熒光分子斷層掃描（FMT），實現(xiàn) “結(jié)構(gòu) - 功能 - 分子” 三位一體成像。
跨學科整合：結(jié)合單細胞測序、代謝組和表觀基因組數(shù)據(jù)，構(gòu)建微重力誘導的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示MYCN、YAP/TAZ和WNT通路之間的協(xié)同作用機制。
總結(jié)
協(xié)同多模態(tài)成像技術(shù)通過高分辨率超聲與功能光聲的深度融合，為小動物研究提供了從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀功能的全面解析能力。其核心優(yōu)勢在于實時動態(tài)追蹤、多尺度成像及 AI 驅(qū)動的數(shù)據(jù)挖掘，已在腫瘤研究、神經(jīng)科學、心血管疾病等領(lǐng)域取得顯著突破。未來，隨著硬件小型化、AI 算法優(yōu)化及臨床轉(zhuǎn)化的推進，該技術(shù)有望成為連接基礎(chǔ)研究與個性化醫(yī)療的關(guān)鍵工具，同時為深空探測等前沿領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。
