小动物同步解剖和功能评估的双模态（光声 / 超声）成像系统，是融合光声成像（PAI）与超声成像（USI）优势的精密设备，可同时获取高分辨率解剖结构与功能代谢信息，在肿瘤研究、神经科学、心血管疾病等领域具有广泛应用。以下从技术原理、核心功能、典型应用及技术趋势等方面展开解析：
一、技术原理与系统架构
1. 光声成像机制
通过短脉冲激光（如纳秒级）激发组织，光吸收导致热弹性膨胀并产生超声波。超声换能器接收信号后，经算法重建出反映组织光学吸收特性的光声图像，可检测血红蛋白、黑色素等内源性物质，或纳米探针等外源性标记物。例如，血红蛋白的氧合状态（sO₂）可通过多波长光声信号分析实现三维可视化。
2. 超声成像基础
利用超声波的反射特性获取组织声阻抗差异，提供实时解剖结构信息。高频探头（如 40 MHz）可实现 30-75 μm 分辨率，支持 B 超、多普勒血流分析及三维重建。例如，VisualSonics 的 Vevo F2 LAZR-X 系统通过超声 B 模式清晰显示小鼠心脏瓣膜运动及血管分布。
3. 双模态同步技术
硬件协同：采用共焦设计，光声激光与超声探头同轴或并行布置，确保空间位置一致性。例如，上海交通大学的系统通过光纤与超声探头集成，实现光声与超声信号的实时同步采集。
运动校正：引入超声散斑跟踪技术，通过分析超声图像中散斑位移，动态校正光声信号因呼吸、心跳引起的空间偏移，误差控制在 ±5 μm 以内。
数据融合：开发自适应算法，如声速动态校正技术，利用超声结构信息优化光声重建参数，提升成像精度。
二、核心功能与技术参数
1. 多模态成像能力
结构与功能融合：超声提供血管、脏器等解剖轮廓，光声揭示血氧分布、代谢活性等功能信息。例如，在肿瘤模型中，超声定位肿瘤边界，光声量化肿瘤血管密度及缺氧区域。
分子特异性检测：结合靶向纳米探针（如金纳米棒），光声可实现特定分子的高灵敏度成像。深圳大学开发的 DrBphP-CBD 蛋白组装体，在 10 mm 深度下肿瘤靶向对比度提升 17.7 倍。
2. 高分辨率与深穿透性
分辨率：光声显微成像可达 3 μm（如头戴式显微镜），超声分辨率最高 30 μm（如 Vevo F2 LAZR-X）。
穿透深度：近红外二区（1200-2000 nm）光声成像深度达 9 cm，结合低频超声探头（1-71 MHz）可覆盖大动物模型。
3. 动态与定量分析
实时成像：光声帧频最高 1000 帧 / 秒（如 PA EKV 技术），支持心血管动态功能评估。
定量工具：配套软件可分析血管直径、血流速度、血氧饱和度等参数。例如，清华大学团队开发的光声 - 超声系统，在淋巴结定位中实现纳米碳示踪剂的精准定量。
三、典型应用场景
1. 肿瘤研究与精准治疗
早期诊断：光声可检测微小肿瘤血管生成，超声定位实体瘤边界。例如，黑色素瘤模型中，光声通过多波长复合成像（Σλ-PA）将信噪比提升 3 倍，清晰显示新生血管。
药物研发：患者源性类器官（PDOs）在微重力环境下形成的肿瘤球体，结合光声 - 超声系统可快速评估药物疗效。例如，三阴性乳腺癌 PDOs 在 7-10 天内完成紫杉醇敏感性评估，准确率超 80%。
2. 神经科学与发育生物学
神经血管耦合：深圳大学研发的 1.7 克头戴式显微镜，同步记录自由活动小鼠神经元钙信号与血氧代谢，揭示癫痫发作前的氧消耗异常。
胚胎毒性评估：厦门大学团队利用双模态系统，无创监测产前氯化甲基汞暴露对小鼠胚胎心脏发育的影响，实现动态致畸效应分析。
3. 心血管疾病与再生医学
动脉粥样硬化研究：光声检测斑块内脂质核心，超声评估斑块力学特性。例如，Vevo LAZR 系统通过光声光谱拆分，区分斑块内的血红蛋白与脂质成分。
组织工程：光声 - 超声引导下，可降解支架与干细胞复合体的三维构建，在兔颅骨缺损模型中实现高效骨再生。
四、商业化产品与技术趋势
1. 主流设备对比
厂商 / 型号 核心参数 典型应用场景
VisualSonics Vevo F2 LAZR-X 光声分辨率 50 μm，超声 30 μm，支持近红外一区 / 二区成像，深度达 9 cm 肿瘤血管生成、心血管动态评估
上海交通大学多模式系统 超声帧率 1000 帧 / 秒，光声支持 5 种材料同步检测，MX550S 探头分辨率 40 μm 神经生物学、药物体内分布
清湃科技 Marsonics PIIP 近红外一区 / 二区全身成像，2025 年将推出三维实时光声系统 RT-PIIP3D 药物代谢动力学、纳米材料评估
2. 技术发展方向
智能化与 AI 融合：通过机器学习优化激光波长、扫描参数，例如自适应声速校正算法提升成像精度。Nature 子刊报道的实时光谱光声超声技术，结合深度学习实现无伪影动态成像。
轻量化与便携化：如清华大学 “光声多模态淋巴结智能定位系统”，体积仅为传统设备的 1/3，已通过临床试验验证。
跨学科整合：与器官芯片、微重力培养系统结合，构建复杂生理模型。例如，利影医疗的平台支持肿瘤 - 肝 - 肾多器官交互模拟。
五、技术挑战与解决方案
1. 穿透深度与分辨率平衡
优化策略：采用近红外二区激光（如 1064 nm）提升穿透深度，同时结合高频率超声探头（如 55 MHz）维持分辨率。
硬件创新：清华大学团队开发的声学扫描振镜技术，通过单换能器实现快速声束扫描，降低系统成本并提升小型化潜力。
2. 运动伪影与数据融合
实时校正：超声散斑跟踪技术动态补偿生理运动，例如在心脏成像中，光声信号与超声心动图同步，误差＜±5 μm。
算法优化：如极值引导插值算法，在稀疏采样下提升光声重建分辨率 40%。
3. 临床转化瓶颈
标准化流程：推动光声纳米探针的临床前验证，例如清华大学的纳米碳示踪技术已进入多中心临床试验阶段。
成本控制：国产设备如赛吉生物 SARC 系列，价格仅为进口设备的 1/3，且支持自动化培养液更新。
六、典型案例与用户反馈
科研突破：北京大学医学部利用 Vevo LAZR 系统，在小鼠脑类器官中观察到微重力加速神经退行性病变标志物（Aβ42）的表达，为阿尔茨海默病研究提供新模型。
工业应用：某生物制药公司使用 DARC-S10 系统优化抗体生产工艺，模拟微重力下 CHO 细胞抗体分泌量提高 25%。
技术验证：厦门大学团队的胚胎毒性研究中，双模态系统检测氯化甲基汞暴露导致的胚胎心脏发育停滞，结果与组织学分析吻合度超 90%。
总结
小动物双模态（光声 / 超声）成像系统通过技术融合，实现了从解剖结构到分子功能的多维度解析，其应用已从基础研究延伸至临床前药物开发。随着国产技术迭代（如清湃科技的三维实时光声系统）、AI 算法赋能（如自适应声速校正）及跨学科整合（如神经血管同步成像），该技术正推动精准医学与深空探测等领域的突破性进展。未来，系统的智能化、便携化及临床转化将成为发展重点，有望成为连接实验室与临床的核心工具。
