光聲 - 超聲斷層掃描（Photoacoustic-Ultrasound Tomography, PAUT）活體小動(dòng)物成像多功能平臺是一種融合光聲成像（PAI）與超聲成像（US）優(yōu)勢的高端生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，可同時(shí)提供組織的功能代謝信息和高分辨率結(jié)構(gòu)影像，在腫瘤研究、神經(jīng)科學(xué)、心血管疾病等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。以下從技術(shù)原理、核心功能、應(yīng)用突破及最新進(jìn)展展開分析：
一、技術(shù)原理與核心功能
1.雙模態(tài)協(xié)同成像機(jī)制
光聲成像：通過短脈沖激光（波長 680-2000 nm）激發(fā)組織內(nèi)源性（如血紅蛋白、黑色素）或外源性（如納米探針）光吸收體，光能轉(zhuǎn)化為熱能引發(fā)熱彈性膨脹，產(chǎn)生超聲波信號。光聲信號反映組織的光學(xué)吸收特性，可實(shí)現(xiàn)血氧飽和度（sO?）、血流分布等功能成像。
超聲成像：通過高頻超聲探頭（13-55 MHz）獲取組織聲阻抗差異形成的結(jié)構(gòu)影像，分辨率可達(dá) 30-75 μm，提供血管形態(tài)、器官邊界等解剖學(xué)信息。
實(shí)時(shí)融合：兩種模態(tài)信號同步采集并自動(dòng)共定位，例如 Vevo F2 LAZR-X 系統(tǒng)可同時(shí)輸出光聲功能圖與超聲結(jié)構(gòu)像，實(shí)現(xiàn) “功能 - 結(jié)構(gòu)” 一體化分析。
2.多尺度成像能力
高分辨率顯微成像：在無造影劑條件下，光聲成像可對 3 mm 內(nèi)組織實(shí)現(xiàn)微米級分辨率（如腦血管、膠質(zhì)淋巴管）；結(jié)合外源性造影劑（如 ICG），穿透深度擴(kuò)展至 6 mm，分辨率仍保持微米級。
深層組織穿透：低頻超聲探頭（1-71 MHz）與近紅外二區(qū)（NIR II, 1064-2000 nm）激光結(jié)合，可實(shí)現(xiàn) 9 cm 深度成像，適用于大鼠、兔等較大動(dòng)物模型。例如，Vevo F2 LAZR-X 通過低頻探頭兼容，突破傳統(tǒng)光聲成像深度限制，清晰顯示深部腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)。
3.多模態(tài)擴(kuò)展與動(dòng)態(tài)分析
光譜解混：多波長激光掃描（如 532 nm、770-840 nm、1064 nm）可區(qū)分不同光吸收體，例如分離氧合血紅蛋白（HbO?）與脫氧血紅蛋白（Hb），生成 sO?分布圖。
三維重建與動(dòng)態(tài)追蹤：通過機(jī)械掃描或聲學(xué)振鏡實(shí)現(xiàn) 3D 容積成像（如 2.5×2.5×2.5 cm 區(qū)域 3 秒快速掃描），并支持連續(xù)時(shí)空光譜分析，例如監(jiān)測腫瘤血管生成動(dòng)態(tài)或藥物遞送過程。
超聲功能增強(qiáng)：結(jié)合多普勒模式（如彩色多普勒、脈沖多普勒）可量化血流速度、方向，而超聲造影劑（如微泡）可評估組織灌注。
二、典型應(yīng)用與研究突破
1.腫瘤生物學(xué)研究
血管生成與耐藥監(jiān)測：光聲成像可無標(biāo)記顯示腫瘤內(nèi)部異常血管（如 U-87MG 膠質(zhì)瘤的動(dòng)靜脈畸形），結(jié)合超聲結(jié)構(gòu)像評估血管密度與形態(tài)。例如，微重力培養(yǎng)的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤類器官在光聲 - 超聲平臺下，可實(shí)時(shí)觀察替莫唑胺耐藥模型的血管重塑過程。
藥物遞送評估：負(fù)載 FeNP/ICG 的微膠囊（尺寸 4±0.5 μm）通過光聲信號追蹤，實(shí)現(xiàn)腫瘤內(nèi)藥物分布的超分辨率成像（分辨率 20 μm），并結(jié)合血流速度圖譜優(yōu)化給藥方案。
2.神經(jīng)科學(xué)與腦功能研究
腦血管與膠質(zhì)淋巴成像：光聲 - 超聲系統(tǒng)可清晰顯示小鼠腦皮層血管網(wǎng)絡(luò)（分辨率 50 μm）及膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)，例如區(qū)分皮層穿透血管與軟腦膜血管，為中風(fēng)、阿爾茨海默病研究提供新工具。
神經(jīng)活動(dòng)關(guān)聯(lián)成像：通過光聲 sO?成像結(jié)合超聲多普勒，可同步監(jiān)測神經(jīng)元活動(dòng)引發(fā)的局部血流變化，例如在癲癇模型中定位異常放電區(qū)域。
3.心血管疾病建模
血流動(dòng)力學(xué)量化：光聲血流速度圖譜（精度 6.9 mm/s）與超聲多普勒結(jié)合，可分析動(dòng)脈粥樣硬化模型的斑塊內(nèi)新生血管血流特征，評估抗血管生成藥物療效。
心肌功能評估：M 超模式（運(yùn)動(dòng)模式）結(jié)合光聲 sO?成像，可同步測量心臟收縮期 / 舒張期室壁厚度變化及局部缺氧情況，適用于心梗后修復(fù)研究。
4.類器官與空間生物學(xué)
三維類器官監(jiān)測：在微重力培養(yǎng)的母細(xì)胞瘤類器官中，光聲 - 超聲平臺可實(shí)時(shí)觀察血管網(wǎng)絡(luò)形成（直徑 > 100 μm）及藥物滲透動(dòng)態(tài)，例如 CAR-T 細(xì)胞在類器官內(nèi)的穿透深度從 150 μm 提升至 300 μm。
空間轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)：結(jié)合結(jié)構(gòu)融合增強(qiáng)圖卷積網(wǎng)絡(luò)（SFE-GCN），光聲斷層掃描圖像可自動(dòng)分割肝臟、腎臟等器官，為空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析提供精準(zhǔn)解剖定位。
三、技術(shù)優(yōu)勢與商用平臺
1.核心技術(shù)優(yōu)勢
高性價(jià)比多模態(tài)：與 MRI/PET 相比，光聲 - 超聲平臺成本降低 60% 以上，且無需電離輻射，適合長期動(dòng)態(tài)研究。
快速與靈活性：實(shí)時(shí)成像（光聲 20 幀 / 秒，超聲 1000 幀 / 秒）支持術(shù)中導(dǎo)航，例如在腫瘤切除模型中實(shí)時(shí)定位殘留病灶。
跨尺度兼容性：從斑馬魚（體長 <2 cm）到豬（體長> 50 cm）均可適配，例如 Vevo F2 LAZR-X 通過低頻探頭實(shí)現(xiàn)大鼠全腦（15 mm 范圍）超分辨血管圖譜。
2.主流商用平臺
Vevo F2 LAZR-X（富士膠片）：
光聲分辨率 50 μm，超聲分辨率 30 μm，成像深度達(dá) 9 cm。
支持近紅外一區(qū)（680-970 nm）與二區(qū)（1200-2000 nm）多光譜掃描，兼容低頻探頭（1-71 MHz）。
應(yīng)用案例：腫瘤血管生成、心血管功能評估、大動(dòng)物模型成像。
光 - 聲多模態(tài)小動(dòng)物成像儀（國產(chǎn)）：
無造影劑時(shí) 3 mm 內(nèi)微米級分辨率，使用造影劑擴(kuò)展至 6 mm。
集成光聲顯微鏡、超聲顯微鏡與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，支持 532 nm、NIR I、NIR II 多波長同步成像。
應(yīng)用案例：腦血管、肝臟、腎臟等多器官顯微成像。
ClinoStar 3D 系統(tǒng)（Synthecon）：
結(jié)合微重力培養(yǎng)與光聲 - 超聲成像，支持類器官動(dòng)態(tài)監(jiān)測。
旋轉(zhuǎn)壁生物反應(yīng)器與實(shí)時(shí)成像模塊無縫對接，適用于腫瘤耐藥模型構(gòu)建。
四、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向
1.當(dāng)前技術(shù)瓶頸
成像速度限制：光聲成像受激光重復(fù)頻率（通常 20 Hz）制約，動(dòng)態(tài)追蹤高頻生理過程（如心跳）需依賴超高速激光器。
數(shù)據(jù)處理復(fù)雜性：三維光聲 - 超聲數(shù)據(jù)量龐大，需 AI 算法加速重建（如深度學(xué)習(xí)加速圖像解混）。
造影劑生物安全性：外源性納米探針（如 FeNP/ICG 微膠囊）的長期毒性仍需驗(yàn)證，可降解材料（如聚電解質(zhì)）成為研究熱點(diǎn)。
2.前沿研究方向
超分辨率成像：結(jié)合單粒子定位技術(shù)（如 LOT），光聲成像分辨率從 50 μm 提升至 20 μm，實(shí)現(xiàn)深層組織微血管動(dòng)態(tài)追蹤。
多模態(tài)融合創(chuàng)新：集成光聲 - 超聲與熒光分子斷層掃描（FMT），實(shí)現(xiàn) “結(jié)構(gòu) - 功能 - 分子” 三位一體成像，例如在腫瘤模型中同步顯示血管、代謝熱點(diǎn)及靶向探針分布。
太空生物學(xué)應(yīng)用：計(jì)劃在國際空間站（ISS）部署輕量化光聲 - 超聲平臺，研究微重力環(huán)境下腫瘤類器官的血管生成機(jī)制，為深空探測任務(wù)提供風(fēng)險(xiǎn)評估模型。
五、數(shù)據(jù)資源與研究工具
1.開源數(shù)據(jù)庫
GEO 數(shù)據(jù)庫：GSE131928、GSE140819 等單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)集可用于光聲 - 超聲圖像的基因表達(dá)關(guān)聯(lián)分析。
SFE-GCN 模型：結(jié)構(gòu)融合增強(qiáng)圖卷積網(wǎng)絡(luò)代碼開源，支持腹部光聲斷層掃描圖像的自動(dòng)器官分割。
2.標(biāo)準(zhǔn)化流程
質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)：通過 H&E 染色與免疫熒光驗(yàn)證光聲 - 超聲成像的解剖準(zhǔn)確性，要求腫瘤邊界與組織學(xué)切片差異 < 15%。
多中心研究：禮升生物的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤類器官生物庫（200 + 患者樣本）與光聲 - 超聲成像數(shù)據(jù)結(jié)合，支持跨機(jī)構(gòu)藥物篩選研究。
總結(jié)
光聲 - 超聲斷層掃描活體小動(dòng)物成像多功能平臺通過 “功能 - 結(jié)構(gòu)” 雙模態(tài)協(xié)同，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了高分辨率、實(shí)時(shí)、非侵入的成像解決方案。其在腫瘤血管生成、腦功能監(jiān)測、類器官研究等領(lǐng)域的應(yīng)用，以及超分辨率成像、多模態(tài)融合等技術(shù)突破，使其成為連接基礎(chǔ)研究與臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵工具。隨著設(shè)備小型化、AI 算法優(yōu)化及太空實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，該技術(shù)有望在個(gè)性化醫(yī)療和深空探索中發(fā)揮更大價(jià)值。
