小动物活体多模态光声超声肿瘤研究成像系统是一种结合光声成像与超声成像技术的先进医学研究工具，能够同时获取生物组织的结构、功能及代谢信息，为肿瘤研究提供高分辨率、高灵敏度的动态监测手段。以下从技术原理、核心优势、应用场景及典型系统介绍四个方面展开说明：

一、技术原理

1.光声成像

基于光声效应：当脉冲激光照射生物组织时，组织中的生色基团（如血红蛋白、黑色素或外源性纳米粒子）吸收光能并转化为热能，引发局部热弹性膨胀，产生超声波。超声探头接收这些信号后，通过图像重建技术生成光声图像，反映组织的光吸收分布。

波长范围：支持近红外一区（680-970 nm）和近红外二区（1200-2000 nm）成像，穿透深度可达数厘米。

造影剂：内源造影剂（如血红蛋白）无需注射，外源造影剂（如纳米颗粒）可增强靶向成像效果。

2.超声成像

通过高频超声探头（如21 MHz、40 MHz）发射超声波，利用组织界面反射的回声生成结构图像，提供解剖学参考。

成像模式：包括灰阶模式（结构观察）、彩色多普勒模式（血流检测）、三维成像模式（体积量化）等。

3.多模态融合

系统将光声成像的高灵敏度（如检测血红蛋白浓度、血氧饱和度）与超声成像的高分辨率（如30 μm空间分辨率）相结合，实现功能与结构信息的互补。

二、核心优势

1.非侵入性与实时监测

无需手术或注射外源性染料（部分内源造影剂），可动态观察肿瘤生长、血管生成及治疗响应过程。

2.高分辨率与高灵敏度

空间分辨率：可达30 μm，清晰显示微小肿瘤（直径<1 mm）及血管结构。

功能检测：定量分析血氧饱和度（sO₂）、总血红蛋白（HbT）等代谢指标，辅助评估肿瘤恶性程度。

3.多参数成像能力

支持单波长、多波长及全光谱扫描，可同时获取血氧、脂质、代谢物等多维度信息，结合机器学习算法构建肿瘤分子图谱。

4.穿透深度与安全性

近红外二区激光穿透深度>5 mm，适用于深层组织成像。

避免电离辐射损伤，适合长期研究。

三、应用场景

1.肿瘤生物学研究

早期诊断：检测肿瘤新生血管密度及结构紊乱，辅助早期发现。

转移机制：监测循环肿瘤细胞（CTC）在血管中的滞留与外渗。

药物研发：评估抗血管生成药物（如贝伐单抗）对肿瘤血管密度和血流速度的影响，优化给药时机。

2.治疗监测与评估

放疗导航：实时观察肿瘤体积变化及坏死区域形成。

免疫治疗：追踪免疫细胞（如T细胞）浸润及细胞因子分布，评估PD-1抑制剂疗效。

光热治疗：结合金纳米棒等光敏剂，通过光声信号反馈治疗剂量分布。

3.心血管与神经科学研究

心血管疾病：研究心肌梗塞、动脉粥样硬化等疾病的血流动力学变化。

脑功能研究：检测脑部血氧饱和度及总血红蛋白含量，辅助神经退行性疾病研究。

四、典型系统介绍

以富士Vevo® LAZR-X系统为例：

光声模块：配置脉冲可调式激光器，支持近红外一区及二区成像，具备单波长、全光谱及血氧扫描模式。

超声模块：配备MX250（21 MHz）、MX550D（40 MHz）探头，满足大鼠、小鼠等实验动物成像需求。

功能应用：

肿瘤研究：监测肿瘤生长、血管生成及血氧变化，评估治疗效果。

心血管研究：分析心脏结构、血管形态及血流动力学。

神经科学：研究脑部功能代谢及血氧分布。

五、技术挑战与发展方向

1.挑战

深层组织信号衰减导致分辨率下降。

单一参数难以反映肿瘤异质性。

标记物脱落或生物降解影响长期追踪。

2.解决方案

采用近红外二区激光提升穿透深度。

开发多参数光声成像结合机器学习算法。

设计基因编码光声报告基因实现内源性长效标记。

3.未来趋势

多模态融合：结合荧光成像、超声弹性成像或核医学（如PET），提供解剖-功能-分子多维度信息。

柔性探头技术：实现自由活动小动物的长期监测，模拟人类肿瘤动态变化。

临床转化：在大型动物模型中验证技术可靠性，推动早期临床筛查和术中导航应用。