光聲-超聲多模態成像系統通過整合光聲成像與超聲成像技術，為小動物活體研究提供了高分辨率結構成像與高靈敏度功能成像的協同解決方案，在腫瘤學、心血管研究、神經科學及藥物研發等領域展現出顯著優勢。以下從技術原理、核心優勢及典型應用場景展開分析：
一、技術原理：光聲與超聲的協同機制
1.光聲成像
利用脈沖激光照射生物組織，組織中的內源性生色基團（如血紅蛋白、黑色素）或外源性造影劑（如納米顆粒、熒光染料）吸收光能后發生熱彈性膨脹，產生超聲波信號。超聲探頭接收信號后，通過算法重建形成光聲圖像，可反映組織的光吸收特性及分子分布信息。
2.超聲成像
通過高頻超聲探頭發射超聲波，利用組織界面反射的回聲信號形成結構圖像，提供高分辨率的解剖學信息（如器官形態、血管結構）。
3.多模態融合
系統同步采集光聲與超聲信號，通過圖像配準技術實現功能與結構信息的精準疊加，例如在腫瘤研究中同時顯示腫瘤血管分布（光聲）與腫瘤邊界（超聲）。
二、核心優勢：非侵入性、高分辨率與多維度成像
1.非侵入性與實時動態監測
無需開窗或注射放射性試劑，可長期追蹤同一動物模型，減少個體差異對實驗結果的影響。例如，在腫瘤生長研究中，系統可連續監測腫瘤體積變化及血氧飽和度動態。
2.高分辨率結構成像
超聲模塊配備高頻探頭（如40-70 MHz），可清晰顯示小鼠心臟瓣膜、視網膜血管等微小結構。例如，在心肌梗死模型中，超聲模式可量化心室壁運動異常，而光聲模式可檢測心肌缺血區域的血氧降低。
3.多參數功能成像
血氧飽和度（sO?）：通過雙波長光聲成像（如750 nm與850 nm）計算氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白比例，評估腫瘤代謝狀態或腦缺血損傷。
血流動力學：結合超聲多普勒模式與光聲血流成像，可同時獲取血流速度（超聲）與血氧分布（光聲），用于動脈粥樣硬化斑塊穩定性評估。
分子特異性成像：外源性造影劑（如金納米棒）可靶向腫瘤新生血管，通過光聲信號強度量化藥物遞送效率。
4.穿透深度與成像深度平衡
超聲成像可穿透數厘米組織，提供深層結構信息；光聲成像在近紅外二區（1200-2000 nm）波長下穿透深度達5-10 mm，適合皮下腫瘤或腦皮層成像。
三、典型應用場景
1. 腫瘤學研究
腫瘤微環境表征：同步顯示腫瘤血管密度（光聲）與腫瘤邊界（超聲），評估抗血管生成藥物療效。例如，貝伐單抗治療后，光聲成像可檢測腫瘤血氧飽和度回升，提示血管正?；翱谄?。
免疫治療監測：PD-1抑制劑治療早期，光聲成像顯示腫瘤血氧升高，與長期生存率正相關，反映免疫細胞浸潤及代謝重編程。
光熱治療導航：通過金納米棒光聲信號反饋實時調整激光功率，實現腫瘤精準消融，避免周圍組織熱損傷。
2. 心血管疾病研究
動脈粥樣硬化評估：超聲模式檢測斑塊大小及回聲強度，光聲模式量化斑塊內脂質沉積（通過脂質特異性造影劑）。
心肌功能分析：超聲組織多普勒模式測量心肌應變，光聲模式檢測心肌缺血區域血氧降低，輔助心梗后康復策略制定。
3. 神經科學研究
腦功能成像：通過顱窗觀察清醒小鼠腦皮層血氧變化，結合光聲信號與行為學數據，研究癲癇發作或感覺刺激下的神經血管耦合機制。
腦疾病模型評估：在中風模型中，光聲成像檢測缺血半暗帶血氧梯度，超聲成像監測腦水腫進展，指導溶栓治療時機。
4. 藥物研發與納米技術
藥代動力學分析：動態測量藥物載體（如脂質體）在腫瘤區域的濃度-時間曲線，優化給藥方案。
納米探針驗證：通過光聲信號強度與分布，驗證靶向納米顆粒（如抗體偶聯染料）在腫瘤組織的富集效率。
四、技術挑戰與發展趨勢
1.深層組織成像：當前光聲成像在>5 mm深度時分辨率下降，需開發長波長激光（如1700 nm）或相控陣探頭提升穿透力。
2.多參數數據分析：結合機器學習算法，從光聲光譜、超聲彈性成像等多模態數據中提取腫瘤分子特征，構建個性化診療模型。
3.臨床轉化：在大型動物模型（如犬、非人靈長類）中驗證技術可靠性，推動光聲成像向早期臨床篩查和術中導航應用拓展。
五、代表系統與性能參數
富士Vevo LAZR-X：
超聲探頭：MX250（18-26 MHz）、MX550D（30-40 MHz）、MX700（40-70 MHz）
光聲波長：680-970 nm（近紅外一區）、1200-2000 nm（近紅外二區）
應用場景：腫瘤血氧監測、腦功能成像、心血管結構分析
歡影醫療Sonorover PA：
光聲成像速率：50幀/秒（實時捕捉血流動態）
超聲模式：支持B模式、M模式、彩色多普勒、組織多普勒
特色功能：成像-治療聯動（無縫對接超聲治療儀）
光聲-超聲多模態成像系統通過功能與結構信息的互補，為小動物活體研究提供了從基礎機制探索到治療策略優化的全鏈條工具。隨著技術不斷突破，其在腫瘤早篩、精準治療及耐藥機制研究中的潛力將進一步釋放，加速生命科學研究成果向臨床應用的轉化。
