光声多模态大鼠成像系统是一种结合光声成像与其他模态（如超声、OCT、荧光等）的先进生物医学成像平台，其核心原理、技术优势及应用场景如下：

一、核心原理与技术优势

1.光声成像基础

原理：利用激光脉冲照射组织，光吸收体（如血红蛋白、黑色素）吸收能量后产生超声波，通过探测器捕获并重建图像。

优势：

高对比度与穿透深度：兼具光学成像的高对比度（依赖组织光学吸收差异）和超声成像的高穿透深度（可达7cm）。

无创无损：无需造影剂，无电离辐射，适合活体长期监测。

多维度信息：可提供解剖结构、血氧饱和度、血流动力学等功能信息。

2.多模态整合

典型组合：

光声+超声：如Vevo LAZR系统，实时共定位光声信号与超声解剖图像，支持2D/3D成像及血氧测量。

光声+OCT：结合光学相干层析技术，提升微血管细节分辨率。

光声+荧光：通过靶向造影剂（如纳米金壳）实现分子标记与肿瘤监测。

优势：同步获取多尺度（分子到器官）、多维度（解剖、功能、分子）信息，提升诊断准确性。

二、系统组成与性能

1.硬件配置

激光源：近红外脉冲激光器（如680-970nm可调），提供高能量且安全的激发光。

探测器：超声阵列（如半球状或圆弧状设计），如3D-PACT系统的4条圆弧状超声阵列，10秒内完成半球探测。

同步模块：集成心电图、呼吸节律监测，实现动态成像（如心脏搏动周期同步）。

2.软件与算法

图像处理：滤波、去噪、重建算法（如深度学习DnCNN去伪影），提升信噪比。

创新技术：

PATTERN技术：通过光漂白时间编码与机器学习，实现高灵敏度荧光蛋白信号检测，空间分辨率接近各向同性（如137μm×115μm×143μm）。

NIR-II光声成像：利用近红外二区（1000-1700nm）激光，提升穿透深度与信噪比，结合靶向造影剂（如SPNs3纳米粒）实现肿瘤光热治疗引导。

三、应用场景与案例

1.心血管研究

案例：加州理工学院3D-PACT系统无创成像大鼠心脏动态结构，区分正常、肥胖、高血压大鼠的心腔体积、血管血流差异，为心血管疾病模型研究提供工具。

2.肿瘤监测

案例：汪立宏课题组利用PAT技术监测大鼠脑肿瘤生长、血管再生及抗血管治疗反应，结合纳米金壳造影剂提升分辨率，实现肿瘤早期诊断与疗效评估。

3.神经科学

案例：PATTERN技术实现全脑荧光标签成像，追踪神经通路投射（如前岛皮质到纹状体），结合空间转录组学进行多模态分析，揭示脑功能连接。

四、研究进展与挑战

1.技术突破

动态成像：通过心电图同步技术，捕捉心脏搏动周期的三维光声图像。

深度学习：优化图像重建算法，提升灵敏度与分辨率（如PATTERN技术）。

多模态造影剂：开发兼具光声、MRI、超声信号的纳米材料（如钆掺杂聚多巴胺粒子），提升多模态成像兼容性。

2.局限性

光散射限制：发射光聚焦深度受限，需通过算法（如光漂白编码）补偿。

系统复杂度：多模态集成需平衡成本、体积与性能，临床转化仍需优化。

五、总结

光声多模态大鼠成像系统通过整合光声成像与其他模态，实现了高对比度、高穿透深度、多维度信息的活体成像，广泛应用于心血管、肿瘤、神经科学等领域。未来，随着近红外二区技术、深度学习算法及新型造影剂的发展，其临床前研究价值将进一步提升，推动个性化医疗与疾病机制理解。