活體小鼠腦部光聲多模態實時采集通過整合光聲成像、超聲成像及超分辨率算法，結合光纖負聚焦超聲探測器或超快功能性光聲顯微鏡等創新技術，實現了對腦部血流動力學、氧飽和度及結構信息的高時空分辨率三維成像，其具體過程及關鍵技術如下：

一、技術原理與系統構成

1.光聲成像（PA）

利用脈沖激光（如532nm、1064nm）照射小鼠腦組織，內源性物質（血紅蛋白、黑色素）吸收光能后產生熱膨脹，釋放超聲波。通過探測超聲波并重建圖像，可反映血流、血氧飽和度等功能信息。

多波長激發：如532nm靶向氧合血紅蛋白，900nm增強組織穿透，實現快速功能性腦成像。

2.超聲成像（US）

通過高頻超聲波（10-100MHz）探測組織密度差異，重建腦部結構（如血管壁、器官輪廓），穿透深度可達厘米級，提供結構背景信息。

3.超分辨率算法

突破光學衍射極限，將分辨率提升至10-200nm，可分辨毛細血管分支、細胞級結構。

深度學習增強：通過U-Net、Transformer等模型減少噪聲，優化深層組織分辨率。

4.光纖負聚焦超聲探測器

利用光纖柔性特性，彎曲形成負聚焦超聲探測器，接收角擴展至120°，最小可探測聲壓低至5.4 Pa，實現無創全腦高分辨成像。

二、實時采集過程

1.術前準備

麻醉與固定：使用異氟烷麻醉小鼠，固定于立體定位儀，調整頭部與儀器平面垂直。

顱骨處理：沿頭頂中線切開頭皮，剝離骨膜，暴露顱骨，鉆孔（直徑約2mm）避開主要血管和腦組織。

2.成像系統設置

超快功能性光聲顯微鏡（UFF-PAM）：

采用雙波長激光（532nm、558nm）激發，水浸式12面多邊形掃描儀實現快速三維成像（視場11×7.5×1.5 mm3，頻率2 Hz，空間分辨率約10 μm）。

實時捕捉腦皮層血管收縮、舒張及氧飽和度變化，同步監測擴散性抑制（SD）波傳播。

光纖負聚焦超聲探測器：

通過彎曲光纖結合合成孔徑算法，將超聲接收角擴展至120°，成像深度超過7 mm，空間分辨率達130 μm。

構建線性掃描光聲層析成像系統，實現無創全腦成像及腦內血栓可視化。

3.多模態數據采集

同步采集：光聲信號反映血流動力學，超聲信號重建腦部結構，通過坐標校準消除系統誤差。

三維重建：通過機械掃描或陣列式探測器采集多角度信號，經反投影或傅里葉變換算法生成立體圖像，呈現腦部空間分布。

動態監測：實時追蹤腦缺血-再灌注、腫瘤血管新生等過程，量化腫瘤體積變化或血管網絡分布密度。

4.數據處理與分析

深度學習上采樣：應用改進版全密集U-net模型對欠采樣圖像進行上采樣，重建血管連續性，消除偽影，提高圖像質量。

特征提取：通過主成分分析、聚類算法區分神經元放電信號與噪音，量化神經電活動與行為關聯。

量化評估：計算血氧飽和度、血流速度、血管直徑等參數，評估腦缺氧模型或藥物療效。

三、關鍵技術優勢

1.高時空分辨率：UFF-PAM系統實現微血管水平（10 μm）的實時三維成像（2 Hz），光纖負聚焦探測器突破傳統超聲接收角限制，提升深層組織分辨率。

2.多模態融合：光聲（功能）+超聲（結構）+熒光（分子）三模態同步采集，提供解剖、功能及分子信息，適用于腫瘤早期診斷與療效評估。

3.無創動態監測：無需注射造影劑，利用內源性物質成像，適合長期觀察（如腫瘤生長、血管發育）。

4.智能化分析：AI自動識別腫瘤邊界、計數血管分支、預測疾病進展（如腫瘤轉移風險），提升臨床轉化效率。

四、應用場景

1.腦功能研究：監測腦缺血-再灌注、癲癇發作等過程中的血流動力學變化，定位SD波起源并跟蹤傳播模式。

2.腫瘤學：無創觀察皮下腫瘤或原位肝癌的血管生成動態，評估抗血管生成藥物療效。

3.神經科學：結合顱窗技術，顯示皮層微血管分支細節，追蹤納米藥物在腦內的分布。

4.藥物研發：量化藥物載體靶向分布與代謝，驗證基因編輯效果（如血管通透性變化）。

總結

活體小鼠腦部光聲多模態實時采集通過光聲（功能血流）、超聲（結構）及超分辨率算法融合，利用超快顯微鏡或光纖探測器實現高分辨三維成像，同步捕捉腦部動態變化，結合AI分析血氧、血管等參數，助力腦病研究與藥物評估。