小動(dòng)物活體皮膚腔道無標(biāo)記成像裝置是一類結(jié)合光學(xué)、聲學(xué)和智能算法的高端科研設(shè)備，旨在無需外源性標(biāo)記物的前提下，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物皮膚、消化道、呼吸道等腔道組織的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。這類裝置通過整合光聲成像、光學(xué)相干斷層掃描（OCT）、多光子顯微鏡等技術(shù)，突破了傳統(tǒng)成像方法在深度、分辨率和功能信息獲取上的局限，已成為腫瘤研究、神經(jīng)科學(xué)、心血管疾病等領(lǐng)域的關(guān)鍵工具。
一、核心技術(shù)原理與多模態(tài)集成
1.光聲成像（PAI）的深度突破
光聲成像創(chuàng)新性地結(jié)合光學(xué)對比度與超聲分辨力，通過脈沖激光激發(fā)組織內(nèi)源性物質(zhì)（如血紅蛋白、黑色素）產(chǎn)生熱彈性膨脹，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為超聲信號進(jìn)行三維重構(gòu)。例如，波長 1064nm 的近紅外二區(qū)（NIR-II）光聲成像可穿透達(dá) 4.8cm，清晰呈現(xiàn)小鼠腦血管網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化，并在肝纖維化分期中通過微米級分辨率檢測異常血管形態(tài)。其內(nèi)窺模塊可深入消化道，實(shí)現(xiàn)結(jié)直腸微血管與組織層次的共定位可視化。
2.OCT 的淺表高分辨優(yōu)勢
OCT 利用低相干光干涉技術(shù)，對皮膚表層（<400μm）實(shí)現(xiàn) 14μm 級分辨率，適用于黑色素瘤厚度測量等淺表結(jié)構(gòu)分析。例如，中南大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)部的小動(dòng)物三維活體成像系統(tǒng)結(jié)合 OCT 與熒光光譜拆分功能，可量化皮損血供程度。
3.多光子顯微鏡的細(xì)胞級解析
多光子顯微鏡通過雙光子激發(fā)熒光（TPEF）和二次諧波產(chǎn)生（SHG），在清醒動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)亞微米分辨率成像。例如，中國科學(xué)院腦智卓越中心開發(fā)的超分辨技術(shù)（MLS-SIM）可在小鼠皮層中以 150nm 分辨率追蹤神經(jīng)元樹突棘動(dòng)態(tài)，同時(shí)容忍每秒 50 微米的運(yùn)動(dòng)偽影。
4.多模態(tài)融合提升診斷效能
商業(yè)化裝置如 Ani-Plus 集成光聲、超聲和光學(xué)顯微鏡，可同步獲取血管密度、血氧飽和度等結(jié)構(gòu) - 功能信息。深圳技術(shù)大學(xué)的 Vevo?LAZR-X 系統(tǒng)則結(jié)合超聲與光聲，實(shí)現(xiàn)腫瘤血管新生與灌注的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
二、典型應(yīng)用場景與實(shí)驗(yàn)案例
1.皮膚與腔道微循環(huán)研究
皮膚血管評估：光聲成像可非侵入性揭示小鼠皮膚從表皮到皮下組織的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，支持穿支皮瓣術(shù)前定位與術(shù)后存活評估。
腸道病理監(jiān)測：膿毒癥模型中，光聲內(nèi)窺成像通過檢測腸道血氧飽和度變化，發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈血管淺表層分布、靜脈血管更深的規(guī)律，并量化膿毒癥引發(fā)的缺血程度。
2.腫瘤與藥物治療研究
光動(dòng)力治療（PDT）評估：光聲成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測小鼠背部腫瘤血管密度與扭曲度變化，指導(dǎo) PDT 方案優(yōu)化。
納米藥物遞送追蹤：短波紅外染料聚集體（如 ESi5-S）經(jīng)尾靜脈注射后，可通過雙通道熒光 / 光聲成像揭示其在骨骼、肝臟的分布及肝膽代謝路徑。
3.神經(jīng)與心血管疾病研究
腦血管動(dòng)態(tài)分析：SIP-PAT 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小鼠全腦血流動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)成像，支持缺血 - 再灌注模型中血管修復(fù)效果的量化評估。
神經(jīng)元突觸可塑性：MLS-SIM 技術(shù)在清醒小鼠中捕捉樹突棘尖刺動(dòng)態(tài)，并發(fā)現(xiàn) PSD-95 蛋白聚團(tuán)與樹突主干小突起的共定位現(xiàn)象，為突觸形成機(jī)制提供新證據(jù)。
三、技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案
1.深度 - 分辨率權(quán)衡
光聲成像在 NIR-II 窗口（如 1064nm）雖穿透更深，但分辨率受限于超聲波長（約 12.5μm）；多光子顯微鏡雖達(dá)亞微米分辨率，但深度通常 < 1mm。解決方案包括：
波長優(yōu)化：結(jié)合 532nm（血管成像）與 1064nm（深層穿透）雙波長光聲激發(fā)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能信息互補(bǔ)。
AI 增強(qiáng)重建：UI-Trans Net 通過深度學(xué)習(xí)提升光片顯微圖像信噪比 3-5 倍，克服散射干擾。
2.運(yùn)動(dòng)偽影與噪聲控制
呼吸、心跳導(dǎo)致的位移可通過兩相呼吸門控（如 Quantum GX2 的回顧性門控技術(shù)）和高速掃描（如 SIP-PAT 的 50Hz 幀頻）抑制。此外，光聲成像的單脈沖二維圖采集（<100mJ/cm2 激光劑量）可避免運(yùn)動(dòng)模糊。
3.內(nèi)窺探頭微型化
ENDOQ 內(nèi)窺鏡通過 2mm 超細(xì)探頭與可充氣設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小鼠腸道無創(chuàng)重復(fù)檢查，避免傳統(tǒng)硬鏡導(dǎo)致的爆肛風(fēng)險(xiǎn)。光聲內(nèi)窺探頭則通過光纖集成與 360° 螺旋掃描，在 1.2mm 景深內(nèi)實(shí)現(xiàn) 12.5μm 分辨率。
四、商業(yè)化產(chǎn)品與技術(shù)趨勢
1.代表性裝置
Ani-Plus：光 - 聲 - 超聲三模態(tài)系統(tǒng)，支持 3mm 內(nèi)微米級成像，配備加熱麻醉裝置以維持動(dòng)物生理狀態(tài)。
SIP-PAT：全球首款全身光聲斷層成像儀，穿透深度 4.8cm，可同步獲取灌注、氧合等功能信息。
IVScope 8000Pro：24 通道寬光譜熒光成像結(jié)合光聲模塊，支持多色染料與近紅外二區(qū)成像。
2.國產(chǎn)化與成本優(yōu)化
倍捷銳的無標(biāo)記高內(nèi)涵活細(xì)胞成像儀通過定量相位成像技術(shù)，將同類進(jìn)口設(shè)備成本從 300 萬 - 500 萬元降至 100 萬元以下，同時(shí)保持熒光成像功能。
3.前沿技術(shù)融合
AI 賦能：UI-Trans Net 等算法實(shí)現(xiàn)斑馬魚心跳影像信噪比提升，未來可擴(kuò)展至實(shí)時(shí)病變識別。
多模態(tài)探針：華東理工大學(xué)開發(fā)的短波紅外納米絲帶染料聚集體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熒光與光聲雙通道成像，支持腫瘤微環(huán)境多參數(shù)分析。
五、操作規(guī)范與維護(hù)策略
1.動(dòng)物管理
需通過溫控載物臺(tái)（20-40℃）和 EQUAFLOW 呼吸裝置維持動(dòng)物生理狀態(tài)，避免麻醉氣體濃度不均影響實(shí)驗(yàn)重復(fù)性。
2.預(yù)防性維護(hù)
光學(xué)系統(tǒng)：定期清潔鏡頭與濾光片，使用專用清潔劑避免損傷鍍膜。
激光校準(zhǔn)：每年通過 NIST 標(biāo)準(zhǔn)光源校準(zhǔn)激發(fā)光強(qiáng)度，確保信號定量準(zhǔn)確性。
軟件更新：及時(shí)安裝固件升級，修復(fù)潛在漏洞并優(yōu)化算法（如光譜分離精度提升）。
3.故障處理流程
建立包含備件庫存（如激光晶體、超聲換能器）與快速響應(yīng)機(jī)制的維護(hù)體系，例如通過 TIRF Lock?反饋控制實(shí)時(shí)監(jiān)測光聲信號穩(wěn)定性。
六、未來發(fā)展方向
1.微型化與便攜化：開發(fā)可植入式探頭，實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)動(dòng)物的長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測。
2.多尺度成像：結(jié)合宏觀光聲斷層與微觀多光子顯微，構(gòu)建從器官到細(xì)胞的全維度數(shù)據(jù)鏈。
3.智能決策支持：集成機(jī)器學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)成像數(shù)據(jù)的自動(dòng)化病理分析與治療方案推薦。
這類裝置的發(fā)展不僅推動(dòng)基礎(chǔ)研究的突破，更為臨床前藥物研發(fā)提供了高效驗(yàn)證平臺(tái)，有望加速轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的進(jìn)程。
