光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI）和超声成像（Ultrasound Imaging, USI）是药物递送监测中两类重要的无创成像技术，二者基于不同物理原理（光声成像：光吸收→声波；超声成像：声波反射），在穿透深度、分辨率、特异性、实时性等核心性能上存在显著差异，其优势与局限性需结合药物递送监测的实际需求（如深层 / 浅表组织、动态追踪、药物 / 载体区分、成本效率等）展开分析：

一、超声成像（USI）在药物递送监测中的优势与局限性

超声成像是通过向体内发射高频声波（2-10 MHz，高频探头可达 20-50 MHz），利用不同组织 / 药物载体的声阻抗差异产生反射信号，重建组织与药物分布图像，是目前临床最普及的成像技术之一。

1. 核心优势：适配 “深层、实时、低成本” 的药物递送监测需求

1.1 穿透深度深，适配全身多部位药物递送监测

声波在生物组织中衰减较慢，常规超声探头（2-5 MHz）穿透深度可达5-15 cm，高频探头（10-20 MHz）也能覆盖 2-5 cm 深度，可满足肝脏、肾脏、肿瘤（如深部实体瘤）、血管等全身多部位的药物递送监测。例如：

监测静脉注射的超声微泡造影剂（药物载体） 在肿瘤血管中的富集过程，判断药物是否靶向到达深层肿瘤组织；

追踪超声介导的药物递送（如聚焦超声破坏微泡实现局部药物释放），实时观察药物在肝脏、胰腺等深部器官的分布。

1.2 实时性强，动态追踪药物递送全流程

超声成像帧率高（常规 B 超帧率 10-30 fps，多普勒超声可达 100 fps 以上），可动态捕捉药物载体的流动、聚集、释放过程：

观察药物载体（如脂质体、微泡）在血管内的流速变化，评估药物递送的血流动力学影响；

实时监测 “超声触发药物释放” 的瞬间过程（如聚焦超声破坏微泡，药物在 1-10 ms 内快速释放），为递药效率评估提供动态数据。

1.3 成本低、便携性高，适配临床床旁与动物实验

超声设备（尤其是便携式超声仪）成本远低于 CT、MRI、光声成像设备，且操作简便、无电离辐射，可实现：

临床床旁的即时药物监测（如术后局部给药的分布验证）；

动物实验中多次、长期的药物递送追踪（如小鼠肿瘤模型的药物载体富集监测），降低实验成本。

1.4 造影剂与药物载体的 “一体化设计” 潜力

超声微泡、纳米粒等造影剂可直接作为药物载体（如将化疗药包裹于微泡内），实现 “成像监测 - 药物递送 - 释放触发” 的一体化：例如，载药微泡通过超声成像定位到肿瘤后，用聚焦超声破坏微泡，同步实现药物释放与释放过程的实时监测，无需额外标记药物。

2. 关键局限性：制约 “精准、特异性” 监测需求

2.1 空间分辨率较低，无法识别微小药物聚集区域

超声分辨率与声波频率正相关，但高频探头会牺牲穿透深度：

常规深部成像（5-15 cm）分辨率仅200-500 μm，无法区分单个细胞内的药物分布，或肿瘤微环境中微小血管（<100 μm）内的药物载体聚集；

即使高频探头（浅表成像）分辨率可达 50-100 μm，仍无法满足 “亚细胞级药物定位”（如细胞核内药物递送）的需求。

2.2 特异性差，难以直接区分药物与生物组织

超声信号依赖 “声阻抗差异”，而多数药物（如小分子化疗药、核酸药物）与周围组织（如肌肉、脂肪）的声阻抗差异极小，无法直接成像，必须依赖造影剂（微泡、纳米粒）的强反射信号间接推断药物位置：

若药物未与造影剂偶联（如游离药物），则无法通过超声监测其分布；

造影剂本身的信号可能掩盖药物释放后的游离药物信号，导致 “药物是否释放” 难以判断。

2.3 伪影干扰多，影响监测准确性

气体（如胃肠道气体）、骨骼、金属植入物等会产生强反射伪影，干扰药物递送区域的成像：

例如，监测肺部、胃肠道附近组织的药物递送时，气体伪影会掩盖药物载体的信号；

超声在含气组织（如肺）中的穿透性极差，完全无法用于肺部药物递送监测。

二、光声成像（PAI）在药物递送监测中的优势与局限性

光声成像是通过向体内发射脉冲激光（通常为近红外光，700-1100 nm），药物 / 载体或生物组织吸收光能后产生热膨胀，释放超声信号（光声信号），再通过超声探测器接收信号重建图像。其核心优势是结合光学的高特异性与超声的穿透深度，适配 “精准、特异性” 的药物递送监测需求。

1. 核心优势：解决 “特异性差、分辨率低” 的监测痛点

1.1 高特异性：直接靶向药物 / 载体，无需依赖组织声阻抗差异

光声信号的强度与物质的光吸收系数正相关，可通过选择特定波长的激光，靶向药物或载体的固有光吸收特性（如血红蛋白、黑色素）或外源性光吸收标记（如金纳米粒、碳纳米管）：

例如，将金纳米粒（近红外区强吸收）作为药物载体，通过 780 nm 激光激发，可在光声图像中清晰区分金纳米粒（药物）与周围组织（如肿瘤、正常器官），实现 “药物直接成像”；

可通过光声信号的 “光谱解析”（不同物质吸收光谱不同），同时监测多种药物载体（如金纳米粒 + 碳纳米管）的分布，满足 “联合递药” 的监测需求。

1.2 高空间分辨率：兼顾穿透深度与精准定位

光声成像的分辨率受超声探测器限制（与超声成像类似），但因激光聚焦性强，其分辨率优于同穿透深度的超声成像：

浅表组织（1-3 cm）：分辨率可达10-50 μm，可观察药物在肿瘤微环境中单个血管（<50 μm）内的聚集，或细胞层面的药物分布；

深层组织（3-5 cm）：分辨率仍可达 100-200 μm，优于同深度超声成像（200-500 μm），适合浅表肿瘤（如乳腺癌、皮肤癌）或深部小病灶的药物精准监测。

1.3 功能成像能力：同步监测药物递送与疗效关联指标

光声成像可通过光谱分析获取生物组织的功能信息，间接评估药物递送效果：

监测肿瘤组织的血氧饱和度（HbO₂/Hb 比例）：若抗肿瘤药物递送成功，肿瘤会因缺氧坏死导致血氧饱和度下降，可通过光声信号变化同步验证 “药物递送 - 疗效” 的关联；

监测药物载体的降解过程：如载药聚合物纳米粒在体内降解时，光吸收系数会降低，光声信号强度随之减弱，可动态追踪药物释放动力学。

1.4 无电离辐射，安全性高

光声成像使用近红外激光（非电离辐射）和超声（无辐射），安全性优于 CT、PET 等电离辐射成像技术，适合长期、多次的药物递送监测（如慢性病患者的长期给药追踪）。

2. 关键局限性：受限于 “穿透深度、设备成本” 的实际应用

2.1 穿透深度有限，无法覆盖深层组织药物监测

光声成像依赖激光穿透组织，而生物组织（如皮肤、肌肉）对近红外光的吸收和散射较强，导致穿透深度受限：

常规光声成像（基于线性扫描探头）穿透深度仅3-5 cm，无法满足肝脏（深度 6-10 cm）、肾脏（深度 5-8 cm）等深部器官的药物递送监测；

即使采用光声断层成像（PAT）技术，穿透深度最大也仅 8-10 cm，且分辨率会显著下降（>200 μm），难以精准定位深层药物。

2.2 激光能量限制：易导致组织热损伤，信号强度受限

光声信号强度与激光能量正相关，但过高的激光能量会导致组织热损伤（如温度升高 > 5℃），因此需严格控制激光能量密度（通常 < 20 mJ/cm²）：

对于光吸收系数较低的药物（如部分小分子药物），低激光能量下光声信号较弱，可能被背景噪声掩盖，无法准确监测；

活体实验中，激光能量的限制导致光声成像的信噪比（SNR）低于理想水平，尤其在深层组织中信号易受干扰。

2.3 设备成本高、普及性低，难以临床推广

光声成像设备需集成高功率脉冲激光器（近红外波段）、高灵敏度超声探测器及复杂的信号处理系统，成本是常规超声设备的5-10 倍，且目前仅少数科研机构和企业具备研发能力：

临床应用中，光声成像尚未成为常规设备，仅在皮肤癌、乳腺癌等浅表疾病的诊断中初步应用，难以大规模用于药物递送监测；

动物实验中，设备操作复杂（需精准控制激光波长、能量），对实验人员技术要求高，限制了其广泛使用。

三、光声成像与超声成像的对比总结及应用场景选择

为更清晰地体现二者差异，下表从药物递送监测的核心需求维度进行对比：

对比维度 超声成像（USI） 光声成像（PAI）

穿透深度 深（5-15 cm），适配全身深部组织 浅（3-5 cm），仅适配浅表 / 次深层组织

空间分辨率（同深度） 较低（200-500 μm，深部） 较高（100-200 μm，深部；10-50 μm，浅表）

特异性 低（依赖造影剂，无法直接区分药物） 高（直接靶向药物 / 载体的光吸收特性）

实时性 高（10-100 fps，动态追踪流动 / 释放过程） 中（5-30 fps，受激光脉冲频率限制）

成本与便携性 低、高便携（适合床旁 / 动物实验） 高、低便携（仅科研 / 少数临床场景）

核心适用场景 深层组织药物动态追踪（如肝脏、肿瘤）、床旁监测 浅表组织药物精准定位（如皮肤癌、乳腺癌）、多药物联合监测

四、总结与未来方向

超声成像：是 “深层、实时、低成本” 药物递送监测的首选技术，尤其适合临床床旁的即时监测和动物实验的大规模筛选，但需通过 “造影剂 - 药物一体化” 设计弥补特异性不足的缺陷。

光声成像：是 “精准、特异性” 监测的核心技术，适合浅表疾病或深部小病灶的药物定位，但其穿透深度和成本问题需通过技术突破（如新型近红外激光、高灵敏度探测器）解决。

未来，二者的联合应用（如 “超声引导 + 光声精准定位”）将成为重要方向：通过超声成像确定深层药物递送的大致区域，再通过光声成像精准定位药物在局部的分布，实现 “广度覆盖 + 精准监测” 的双重需求，进一步推动药物递送技术的临床转化。