在臨床前研究中，小動物模型（如小鼠、大鼠）是解析疾病機制、驗證藥物療效的核心載體，其成像需求集中于 “高分辨率 - 動態追蹤 - 多參數同步獲取” 三大維度。傳統單一模態技術（如熒光成像、超聲成像）難以同時滿足：熒光成像雖能定位細胞，但穿透深度不足 1mm，無法覆蓋小動物全身組織；超聲成像雖可觀測深部器官，卻缺乏功能信息。小動物多模態光聲成像技術憑借 “光學特異性 + 超聲深穿透” 的融合優勢，結合針對小動物生理特性的技術適配，已成為臨床前研究的核心成像工具。

一、技術原理與小動物場景的適配性

小動物多模態光聲成像的核心原理與通用光聲技術一致 —— 通過脈沖激光（常用波長 700-1100nm 近紅外波段，適配小動物組織光學窗口）照射目標組織，利用血紅蛋白（氧合 / 去氧）、黑色素、外源造影劑（如金納米顆粒）的特異性光吸收產生熱膨脹，激發超聲信號后通過微型化探頭接收，再結合其他模態數據實現多維度成像。

針對小動物的特殊性，該技術在三方面進行適配優化：一是波長選擇，采用近紅外 II 區（1000-1700nm）激光，減少小鼠毛發、皮膚對光的散射，將穿透深度提升至 3-5mm，可覆蓋小鼠肝臟、腎臟等深部器官；二是探頭微型化，開發直徑＜5mm 的陣列超聲探頭，適配小動物狹小體腔（如小鼠胸腔），同時實現微米級分辨率（最高達 3μm），可清晰觀測毛細血管網絡；三是活體固定系統，集成恒溫控溫、呼吸門控模塊，消除小鼠呼吸（頻率 60-120 次 / 分）、心跳（300-600 次 / 分）導致的運動偽影，確保長時間動態成像穩定性。

二、核心模態融合方案與技術突破

（一）主流模態融合類型及應用價值

光聲 - 超聲雙模融合：是小動物成像最成熟的方案，共享超聲探頭實現信號同步采集。例如，深圳先進院研發的小動物光聲 - 超聲系統，可在同視野下同步獲取小鼠腫瘤的解剖結構（超聲）與血管生成密度（光聲），量化腫瘤微環境中血流速度變化（精度達 0.1mm/s），為抗血管生成藥物療效評估提供直接依據。

光聲 - 熒光雙模融合：聚焦細胞級追蹤，通過共聚焦光學系統將光聲信號（組織功能）與熒光信號（特異性細胞標記）疊加。鄭海榮團隊開發的 OR-PAM-CFM 系統，可在小鼠腦皮層成像中，同步觀測神經元活動（熒光標記鈣信號）與腦血流動態（光聲監測血氧變化），解析神經活動與血流耦合機制。

光聲 - MRI 雙模融合：兼顧宏觀結構與微觀功能，MRI 提供小動物全身器官定位（如小鼠肝臟、肺部），光聲則聚焦局部區域功能量化（如肝臟病灶的血氧飽和度）。該方案已用于非酒精性脂肪肝小鼠模型，實現肝脂肪變性區域與血流灌注異常區域的精準匹配。

（二）關鍵技術突破

運動偽影校正算法：針對小鼠高頻率生理活動，開發基于深度學習的實時校正模型，通過捕捉呼吸周期中的組織位移規律，將圖像信噪比提升 50% 以上，確保 6 小時連續成像的數據穩定性。

多靶點造影劑設計：研發可同時響應光聲與熒光的金納米棒造影劑，表面修飾腫瘤靶向肽（如 RGD），實現小鼠腫瘤的 “精準定位（熒光）- 血流量化（光聲）” 雙重監測，靶向效率較傳統造影劑提升 3 倍。

全身成像快速掃描：采用環形陣列探頭與螺旋掃描技術，將小鼠全身光聲成像時間從 30 分鐘縮短至 5 分鐘，避免長時間麻醉對小鼠生理狀態的干擾。

三、核心應用場景：驅動臨床前研究升級

（一）腫瘤學研究

在小鼠移植瘤模型中，光聲 - 超聲雙模系統可動態監測腫瘤生長過程中的血管密度變化：給藥前腫瘤區域血管紊亂（光聲信號強弱不均），經抗血管生成藥物（如貝伐珠單抗）處理后，72 小時內光聲信號強度下降 40%，且與病理切片中的血管內皮細胞密度呈顯著負相關（R2=0.89），為藥物劑量優化提供量化依據。此外，該技術還可追蹤免疫細胞（如 CAR-T 細胞）在腫瘤微環境中的浸潤過程，通過熒光標記 CAR-T 細胞、光聲監測腫瘤血流，解析免疫細胞與腫瘤血管的相互作用。

（二）神經科學研究

在小鼠癲癇模型中，光聲 - 熒光雙模系統可同步記錄癲癇發作時的腦區活動：發作前小鼠海馬區血氧飽和度穩定（約 95%），發作時該區域血氧快速下降至 70%（光聲監測），同時熒光標記的神經元鈣信號顯著增強，證實腦區過度激活與局部缺血的關聯。此外，該技術還可用于小鼠帕金森模型的黑質多巴胺能神經元監測，通過光聲信號量化黑色素含量變化，反映神經元損傷程度。

（三）心血管研究

在小鼠動脈粥樣硬化模型中，光聲 - 超聲系統可清晰顯示主動脈根部的斑塊形態（超聲）與斑塊內新生血管密度（光聲）：斑塊區域光聲信號強度與斑塊易損性呈正相關，為評估斑塊破裂風險提供新指標。同時，該技術可動態監測小鼠心肌梗死模型的再灌注過程，量化缺血區域血流恢復速率，指導溶栓藥物的療效評價。

四、未來應用展望：技術突破與場景拓展

更高時空分辨率升級：開發高重頻（100kHz 以上）脈沖激光器與高速掃描探頭，將成像幀率從目前的 1-5 幀 / 秒提升至 30 幀 / 秒，實現小鼠心臟跳動（約 10 次 / 秒）、血管搏動等瞬時動態的實時捕捉；同時通過超分辨算法，將空間分辨率突破至 1μm，觀測單個細胞的動態行為。

多參數集成成像：融合光聲、超聲、熒光、拉曼等多模態信號，實現 “組織結構（超聲）- 血流功能（光聲）- 分子表達（熒光）- 代謝狀態（拉曼）” 的四維度同步監測，例如在糖尿病小鼠模型中，同時評估腎臟結構損傷、血流灌注、炎癥因子表達與葡萄糖代謝異常。

臨床轉化銜接：基于小動物模型的成像數據，建立 “小動物 - 大動物 - 臨床” 的技術轉化路徑。例如，通過小鼠腫瘤光聲成像優化的造影劑劑量與激光參數，可直接指導大動物（如兔、豬）模型的實驗設計，加速光聲技術向臨床腫瘤診斷、神經疾病監測的轉化。

總結

小動物多模態光聲成像技術通過針對小動物生理特性的技術適配與多模態融合創新，已成為臨床前研究中解析疾病機制、驗證藥物療效的核心工具。未來，隨著時空分辨率提升、多參數集成及臨床轉化銜接的突破，該技術將進一步縮短 “實驗室研究 - 臨床應用” 的距離，為精準醫療的發展提供關鍵數據支撐。