小動物活體成像技術是現代生物醫學研究的核心工具之一，尤其在腫瘤學、心血管疾病、神經科學及藥物研發領域，其非侵入性、實時動態監測的能力為疾病機制解析和療效評估提供了關鍵支持。傳統成像技術（如MRI、CT、PET）雖具有高分辨率或功能代謝分析能力，但存在輻射損傷、成本高昂或無法實時觀測等局限。相比之下，光聲成像（Photoacoustic Imaging, PAI）作為一種新興的多模態成像技術，通過結合光學激發與超聲檢測，實現了高對比度、高穿透深度（可達數厘米）的活體組織成像，同時可量化血氧飽和度、血紅蛋白濃度等生理參數，成為小動物研究中的理想選擇。

一、系統研制背景與核心技術

小動物活體多模態光聲成像系統通過整合光聲成像、超聲成像、熒光成像及白光成像技術，實現了對活體動物組織結構、功能代謝及分子事件的實時、無創、高分辨率監測。其核心技術包括：

1.光聲-超聲雙模態成像

光聲成像：利用脈沖激光照射生物組織，組織吸收光能后產生熱彈性膨脹，發射超聲波，通過超聲探頭接收信號并重建圖像。該技術結合了光學成像的高對比度與超聲成像的高穿透深度，可清晰顯示血管、腫瘤及功能代謝信息（如血氧飽和度）。

超聲成像：提供解剖學結構信息，與光聲圖像共配準，實現結構與功能的雙重驗證。例如，Vevo?LAZR-X系統通過高頻超聲探頭（30-70 MHz）實現30μm分辨率，支持大鼠、小鼠及斑馬魚的實時成像。

2.多光譜熒光與白光成像

熒光成像：支持綠光至近紅外（415-760nm）多光譜檢測，兼容熒光蛋白、量子點等標記物，用于追蹤分子事件（如基因表達、藥物分布）。

白光成像：提供動物矢狀面及冠狀面解剖參考，輔助精準定位。

3.三維成像與快速掃描

全光譜激光器（660-2300nm）：支持標準掃描36秒完成三維成像，TomoWave系統可實現2.5×2.5×2.5cm空間區域3秒快速掃描。

真正的3D成像：如EndraNexus128系統采用128個立體式螺旋排列超聲接收器，實現等向性分辨率（各方向分辨率一致），避免切片式掃描的模糊問題。

二、關鍵性能指標與評估

1.分辨率與靈敏度

空間分辨率：Vevo?LAZR-X系統達30μm（高頻超聲），EndraNexus128系統等向性分辨率優于切片式掃描，確保深層組織成像清晰度。

靈敏度：TomoWave系統靈敏度達1pmole/L，可檢測低濃度納米探針；EndraNexus128系統靈敏度15nM（ICG，36秒掃描），滿足微量生物標志物檢測需求。

2.穿透深度與成像深度

穿透深度：系統穿透深度均超過4cm，如LOIS-3D系統成像深度達4.5cm，支持大鼠等大型動物的深層組織成像。

成像深度驗證：通過小鼠背部皮下注射1064nm造影劑實驗，驗證系統對深層腫瘤的成像能力。

3.成像速度與通量

快速掃描：EndraNexus128系統3秒完成2.5cm3體積掃描，TomoWave系統支持高通量檢測，顯著提升實驗效率。

動物處理速度：EndraNexus128配備兩套動物托盤，可同時處理兩只動物，減少緩沖時間。

4.多模態融合與定量分析

共配準技術：光聲與超聲圖像自動對齊，如Vevo?LAZR-X系統提供B模、M模、彩色多普勒等多模式超聲，與光聲圖像同步顯示。

定量分析軟件：支持血氧飽和度、血紅蛋白含量測定及光譜分析，如Kuant 2.5軟件可批量處理圖像并導出發表級數據。

三、應用場景與科研價值

1.腫瘤學研究

腫瘤形態與灌注成像：監測腫瘤生長、血管新生及治療響應。例如，通過光聲成像觀察抗腫瘤藥物對腫瘤血氧飽和度的影響。

納米探針定量：追蹤納米材料在腫瘤中的分布及代謝，評估靶向效率。

2.心血管疾病研究

血流動力學監測：利用脈沖多普勒模式測量血流速度，結合光聲成像分析心肌血氧供應，研究心肌炎、血栓等疾病的機制。

3.神經生物學與腦功能研究

功能成像：無創監測腦部血氧變化，揭示神經活動與代謝的關聯。例如，通過光聲成像觀察癲癇發作時的腦部血流動態。

4.藥物研發與代謝研究

藥物分布與療效評估：實時追蹤藥物在活體中的分布及代謝途徑，優化給藥方案。例如，利用熒光成像監測化療藥物在腫瘤中的蓄積情況。

四、系統優勢與局限性

1.優勢

非侵入性與實時動態監測：避免傳統組織切片法的損傷，支持長時間連續觀察。

多尺度信息融合：結合光學與超聲成像，提供從分子到器官的多層次數據。

高靈敏度與分辨率：可檢測低濃度生物分子及微小結構變化。

2.局限性

設備成本與操作復雜度：高端系統價格昂貴，需專業培訓方可操作。

成像深度與分辨率的平衡：深層組織成像時，分辨率可能略有下降。

探針依賴性：部分功能（如血氧飽和度測量）需外源性造影劑支持。