光声 - 超声断层扫描（Photoacoustic-Ultrasound Tomography, PAT-UT）是一种融合光学对比度与超声高分辨率的多模态成像技术，特别适用于活体小动物的结构、功能及分子水平研究。其核心原理是利用短脉冲激光激发组织内的光吸收体（如血红蛋白、黑色素或外源性探针），通过光声效应产生超声波，再结合超声断层扫描技术实现三维图像重建。以下从技术特点、应用场景、优势及挑战等方面展开分析：

一、技术原理与系统设计

1.光声效应与超声探测的协同

当纳秒级激光脉冲照射组织时，光吸收体吸收光能后产生热弹性膨胀，进而激发超声波。这些声波被超声换能器捕获，通过反演算法重建出组织的光吸收分布。超声断层扫描通过多角度扫描或阵列探头实现三维空间的高分辨率成像，典型分辨率可达 30-50 μm，穿透深度达 4-9 cm，兼顾了光学对比度与声学穿透性。

2.多模态集成与动态成像

系统通常集成超声结构成像、光声功能成像及荧光分子成像，可同步获取解剖结构（如血管、器官）、生理参数（如血氧饱和度、血流速度）及分子标记物分布。例如，清华大学团队开发的多模态平台通过旋转扫描实现 10 秒内完成 10 cm 直径区域的三维成像，分辨率达 400 μm，并支持心电图同步动态心脏成像。

3.硬件创新与成本优化

传统阵列探头成本较高，而基于声学扫描振镜的单换能器技术显著降低了系统复杂度。例如，胥守振团队开发的双模态系统通过一维扫描振镜实现超声与光声的快速切换，有效成像范围 15.6 mm，成本仅为传统阵列系统的 1/10。此外，深度学习算法（如稀疏视角重建）可进一步减少硬件需求，提升成像速度。

二、活体小动物成像的典型应用

1.心血管系统研究

光声断层扫描可无创可视化心脏动态结构。例如，浙江大学团队通过优化光照方案和心电图同步采集，实现了大鼠心脏的三维成像，清晰显示心室壁厚度、冠状动脉及血流动力学变化，突破了肋骨和肺部对超声信号的遮挡。此外，高保真 3D PAT 扫描仪可实时监测静脉瓣膜运动及血管迂曲度，为外周血管疾病研究提供新工具。

2.肿瘤与药物递送监测

该技术可定量分析肿瘤血管生成、缺氧状态及药物分布。例如，PhotoSound 的 TriTom™系统通过多光谱扫描追踪 IR780 染料在肿瘤内的药代动力学，并结合荧光成像验证结果，支持纳米药物的疗效评估。清华大学团队开发的靶向卟啉探针结合光热治疗，在胰腺肿瘤模型中实现了光声成像引导的精准治疗。

3.神经科学与炎症研究

光声断层扫描可检测脑血流变化及血脑屏障通透性。例如，在脓毒症小鼠模型中，该技术通过监测伊文思蓝渗漏，定量分析脑血管损伤程度，并与行为学表型关联。此外，单脉冲光声 CT（SIP-PACT）可实现每秒 50 次的脑部横截面扫描，分辨率 120 μm，适用于神经元放电的实时追踪。

4.发育生物学与代谢研究

韩国团队开发的连续旋转扫描系统实现了小鼠全身 9 秒时间分辨率的动态成像，可监测胚胎发育过程中的血管生成及氧饱和度变化。在代谢研究中，多光谱光声成像可区分脂肪组织与肌肉的光学吸收差异，评估肥胖模型的能量代谢状态。

三、技术优势与临床转化潜力

1.多参数成像与功能解析

光声信号反映组织的光学特性（如血红蛋白浓度、氧合状态），超声提供结构信息，两者结合可实现 “结构 - 功能 - 分子” 的多层次分析。例如，Vevo F2 LAZR-X 系统通过近红外一区（680-970 nm）和二区（1200-2000 nm）激光切换，分别优化浅表血管和深部器官的成像质量，成像深度达 9 cm。

2.无标记与微创兼容

内源性血红蛋白的光吸收特性使其无需外源性造影剂即可实现血管成像，适合长期纵向研究。对于需要分子特异性的场景，可引入靶向探针（如 cRGD 修饰的卟啉纳米颗粒），实现肿瘤受体的高灵敏度检测。

3.与其他技术的对比优势

分辨率与穿透深度平衡：光声 - 超声断层扫描的分辨率（30-50 μm）优于 MRI（100-200 μm）和 CT（50-100 μm），且穿透深度（4-9 cm）远超光学相干断层扫描（<2 mm）。

成本与操作便捷性：设备成本介于 MRI 与超声之间，且无需电离辐射或强磁场，适合中小型实验室。例如，PhotoSound 的 TriTom™平台售价约 50-100 万美元，显著低于 MRI 系统。

实时性与动态监测：光声成像速度可达 1000 帧 / 秒（如 PA EKV 技术），适合捕捉心脏跳动、血流脉冲等快速生理过程。

4.临床前与临床应用衔接

该技术已从动物模型逐步向临床转化。例如，TomoWave 的 LOUISA-3D 系统用于乳腺癌筛查，可在 10 秒内完成全乳腺扫描，分辨率 255 μm，深度 4 cm；而 PhotoSound 的 Moleculus™系统正在开发临床版，计划用于术中导航和热疗监测。

四、挑战与未来方向

1.技术瓶颈

深层组织分辨率下降：超声波在深层组织中的散射导致分辨率降低，目前解决方案包括高频探头（如 55 MHz）和光通量补偿算法。

运动伪影控制：小动物呼吸和心跳易引入图像模糊，需结合生理门控（如 ECG 触发）和快速扫描技术（如连续旋转扫描）。

多模态数据融合：光声与超声图像的自动配准及定量分析仍需算法优化，例如基于图卷积网络的器官分割模型可提升解剖结构识别精度。

2.创新方向

硬件小型化：MEMS 超声换能器和集成化激光源的发展，有望开发便携式设备，适用于野外或床边研究。

多模态扩展：结合荧光分子断层扫描（FMT）或拉曼光谱，可实现更丰富的分子信息解析。

人工智能辅助：深度学习用于图像重建（如稀疏视角增强）、器官分割及功能参数反演，可显著提升成像效率与准确性。

五、商业化平台与研究资源

目前主流的商业化平台包括：

Vevo F2 LAZR-X（富士胶片）：支持近红外一区 / 二区成像，分辨率 30-50 μm，深度 9 cm，适合大动物模型。

TriTom™（PhotoSound）：集成光声、荧光和超声，支持全身动态成像，灵敏度达 15 nm（ICG）。

LOUISA-3D（TomoWave）：临床前乳腺成像系统，扫描时间 10 秒，分辨率 255 μm。

此外，开源软件（如 PAConv、PyPACT）和公共数据集（如 PAT-OrganSeg）推动了算法开发与跨机构协作。

总结

光声 - 超声断层扫描通过整合光学对比度与超声分辨率，为活体小动物成像提供了多功能平台，在心血管、肿瘤、神经科学等领域展现出独特优势。其无标记、实时动态及多模态特性，使其成为连接基础研究与临床转化的桥梁。随着硬件创新与算法优化，该技术有望在疾病早期诊断、药物研发及个性化治疗中发挥更重要的作用。