小動(dòng)物活體光聲 / 超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)是融合光聲成像（PAI）與超聲成像（USI）優(yōu)勢(shì)的高端設(shè)備，可同步獲取組織的解剖結(jié)構(gòu)、功能代謝及分子特異性信息。以下結(jié)合 2025 年最新技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用案例，從核心技術(shù)、創(chuàng)新突破、典型應(yīng)用及行業(yè)動(dòng)態(tài)等方面展開(kāi)深度解析：
一、技術(shù)原理與系統(tǒng)架構(gòu)的革新
1. 光聲 - 超聲協(xié)同機(jī)制的突破
共焦集成設(shè)計(jì)：富士膠片 2025 年推出的 Vevo F2 LAZR-X 采用同軸光纖與超聲探頭布局，實(shí)現(xiàn)光聲激光（680-970nm/1200-2000nm）與超聲信號(hào)的空間位置誤差＜±5μm。其 PA EKV 技術(shù)可使心血管光聲成像幀頻達(dá) 1000 幀 / 秒，實(shí)時(shí)捕捉心臟搏動(dòng)時(shí)的血氧分布動(dòng)態(tài)變化。
聲學(xué)掃描振鏡技術(shù)：清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的單換能器快速掃描系統(tǒng)，通過(guò)一維聲學(xué)振鏡實(shí)現(xiàn)扇形聲束掃描，超聲成像分辨率達(dá) 150μm，光聲成像深度達(dá) 3cm，系統(tǒng)體積縮小至傳統(tǒng)設(shè)備的 1/3。該技術(shù)已用于小鼠腦血管三維重建，掃描時(shí)間縮短至 100 秒 / 幅。
2. AI 驅(qū)動(dòng)的智能成像優(yōu)化
基礎(chǔ)模型賦能圖像處理：華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的 SAMPA 工作流，基于 Segment Anything Model（SAM）實(shí)現(xiàn)無(wú)需訓(xùn)練的光聲圖像分割與重建。例如，在人體手部成像中，SAMPA 可自動(dòng)去除皮膚信號(hào)干擾，精準(zhǔn)顯示深層血管網(wǎng)絡(luò)，處理速度達(dá) 0.1 秒 / 幀。
深度學(xué)習(xí)降噪算法：針對(duì)內(nèi)窺探頭的電磁干擾問(wèn)題，Aline-CNN 與 Aline-UNet 模型通過(guò)時(shí)域波形數(shù)據(jù)訓(xùn)練，在兔直腸活體成像中使結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）提升至 0.8589，采集時(shí)間縮短 70%。
二、核心性能參數(shù)與典型應(yīng)用
1. 超高分辨率與深穿透能力
分辨率：上海交通大學(xué)系統(tǒng)的 MX550S 探頭超聲分辨率達(dá) 40μm，光聲分辨率 50μm，可清晰顯示小鼠心臟瓣膜運(yùn)動(dòng)及腫瘤新生血管。西安交通大學(xué)的設(shè)備支持 1000 幀 / 秒超聲采集，動(dòng)態(tài)捕捉斑馬魚(yú)胚胎心跳（600bpm）的實(shí)時(shí)三維結(jié)構(gòu)。
穿透深度：Vevo F2 LAZR-X 兼容低頻探頭（1-71MHz），光聲成像深度達(dá) 9cm，適用于大鼠全腦及腫瘤轉(zhuǎn)移模型的全身掃描。近紅外二區(qū)（1064nm）光聲成像在豬肝臟模型中實(shí)現(xiàn) 6mm 深度的微血管（50μm）可視化。
2. 多維度功能解析能力
血氧代謝評(píng)估：深圳大學(xué)研發(fā)的頭戴式顯微鏡（1.7g），同步記錄自由活動(dòng)小鼠神經(jīng)元鈣信號(hào)（GCaMP6f）與血氧飽和度（sO?），在癲癇模型中發(fā)現(xiàn)發(fā)作前 30 秒腦區(qū)氧消耗異常（ΔsO?＞15%）。
分子特異性檢測(cè)：清華大學(xué)納米碳示蹤技術(shù)（粒徑 50nm）在乳腺癌前哨淋巴結(jié)定位中，光聲信號(hào)對(duì)比度達(dá) 17.7 倍，已進(jìn)入多中心臨床試驗(yàn)階段，定位準(zhǔn)確率超 92%。
3. 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與定量分析
心血管功能評(píng)估：Vevo LAZR 系統(tǒng)通過(guò)光聲光譜拆分，區(qū)分動(dòng)脈粥樣硬化斑塊內(nèi)的血紅蛋白（532nm）與脂質(zhì)成分（1064nm），結(jié)合超聲彈性成像量化斑塊易損性。
藥物代謝追蹤：清湃科技 Marsonics PIIP 平臺(tái)結(jié)合近紅外二區(qū)成像，在小鼠模型中實(shí)現(xiàn)納米抗體（150kDa）從注射到腫瘤富集的全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（t1/2=4.2h）。
三、技術(shù)趨勢(shì)與行業(yè)動(dòng)態(tài)
1. 國(guó)產(chǎn)設(shè)備的跨越式發(fā)展
性能對(duì)標(biāo)進(jìn)口：清湃科技 2025 年推出的 RT-PIIP3D 三維實(shí)時(shí)光聲系統(tǒng)，采用面陣探測(cè)器與并行采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各向同性分辨率 50μm 的實(shí)時(shí)三維成像（5 幀 / 秒），價(jià)格僅為進(jìn)口設(shè)備的 1/3。
智能化集成：賽吉生物 SARC-P 系列集成 AI 算法，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)最佳激光波長(zhǎng)與掃描參數(shù)組合，在 CHO 細(xì)胞抗體生產(chǎn)優(yōu)化中使分泌量提升 25%。
2. 臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵突破
首款國(guó)產(chǎn)雙模態(tài)臨床設(shè)備：深圳邁瑞 2024 年獲批的超聲光聲一體機(jī)，通過(guò)近紅外激光同步獲取組織血氧分布，在甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性鑒別中，光聲微血管密度（MVD）指標(biāo)的 AUC 達(dá) 0.89，顯著優(yōu)于單純超聲。
術(shù)中導(dǎo)航應(yīng)用：清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的 “光聲多模態(tài)淋巴結(jié)智能定位系統(tǒng)”，體積僅 30×20×15cm3，在豬模型中實(shí)現(xiàn)術(shù)中前哨淋巴結(jié)的實(shí)時(shí)引導(dǎo)切除，耗時(shí)＜5 分鐘，定位誤差＜1mm。
3. 跨學(xué)科融合的創(chuàng)新應(yīng)用
基因功能研究：莊小威團(tuán)隊(duì)的 Perturb-Multi 平臺(tái)，結(jié)合光聲 / 超聲成像與單細(xì)胞測(cè)序，在小鼠肝臟模型中揭示肝細(xì)胞分區(qū)（Zonation）的遺傳調(diào)控機(jī)制。例如，敲除 Wnt 通路關(guān)鍵基因 Ctnnb1 后，中央靜脈區(qū)基因表達(dá)下調(diào) 43%，伴隨肝竇結(jié)構(gòu)重塑。
神經(jīng)退行性疾?。喝A南師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)在膿毒癥模型中，利用光聲顯微成像（12.1μm 分辨率）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)血腦屏障滲漏，發(fā)現(xiàn) 6 小時(shí)即出現(xiàn)埃文斯藍(lán)（EB）滲出（滲漏速度 72.5%），較傳統(tǒng) MRI 提前 48 小時(shí)預(yù)警。
四、典型案例與用戶反饋
1. 科研突破
心血管疾病機(jī)制研究：北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部利用 Vevo LAZR 系統(tǒng)，在高脂飲食大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，光聲檢測(cè)的斑塊內(nèi)脂質(zhì)核心體積（＞2mm3）與超聲彈性成像的硬度值（＞50kPa）呈強(qiáng)正相關(guān)（r=0.87），為易損斑塊識(shí)別提供雙模態(tài)標(biāo)志物。
腫瘤治療監(jiān)測(cè)：某生物制藥公司使用 DARC-S10 系統(tǒng)，在三陰性乳腺癌 PDOs 模型中，7 天內(nèi)完成 20 種化療藥物的敏感性評(píng)估，準(zhǔn)確率達(dá) 82%，較傳統(tǒng) 2D 培養(yǎng)縮短 50% 時(shí)間。
2. 工業(yè)界應(yīng)用
納米材料研發(fā)：基爾比生物 Kilby Gravity 系統(tǒng)結(jié)合微重力培養(yǎng)與光聲成像，在模擬月球重力（0.17g）下制備的骨再生支架，孔隙率提升 20%，成骨細(xì)胞黏附面積增加 3 倍。
藥物遞送優(yōu)化：利影醫(yī)療平臺(tái)通過(guò)光聲 - 超聲聯(lián)動(dòng)，在小鼠模型中動(dòng)態(tài)追蹤載藥脂質(zhì)體（100nm）的腫瘤穿透效率，發(fā)現(xiàn)超聲微泡爆破可使藥物滲透率提升 3.8 倍。
3. 用戶評(píng)價(jià)
高校實(shí)驗(yàn)室反饋：西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心數(shù)據(jù)顯示，其 Vevo F2 LAZR-X 設(shè)備年使用時(shí)長(zhǎng)超 2000 小時(shí)，在腫瘤轉(zhuǎn)移研究中，光聲 - 超聲聯(lián)合診斷的靈敏度（91%）顯著高于單一模態(tài)（超聲 78%，光聲 83%）。
企業(yè)研發(fā)評(píng)價(jià)：某跨國(guó)藥企技術(shù)總監(jiān)指出，清湃科技 RT-PIIP3D 的三維成像速度（5 幀 / 秒）滿足高通量藥物篩選需求，單次實(shí)驗(yàn)成本降低 60%。
五、挑戰(zhàn)與解決方案
1. 運(yùn)動(dòng)偽影控制
實(shí)時(shí)校正技術(shù)：超聲散斑跟蹤算法（Speckle Tracking）在心臟成像中動(dòng)態(tài)補(bǔ)償呼吸運(yùn)動(dòng)（振幅 ±1.2mm），光聲信號(hào)空間偏移誤差＜±5μm。
生理門(mén)控觸發(fā)：華中科技大學(xué)系統(tǒng)通過(guò) ECG 觸發(fā)（R 波同步），在小鼠心臟成像中實(shí)現(xiàn)舒張期（dias）與收縮期（syst）的精準(zhǔn)分割，時(shí)間分辨率達(dá) 10ms。
2. 數(shù)據(jù)融合與分析
多模態(tài)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)：VisualSonics VevoLAB 軟件集成自動(dòng)配準(zhǔn)模塊，通過(guò)互信息算法（MI）實(shí)現(xiàn)光聲 - 超聲圖像的空間對(duì)齊，配準(zhǔn)誤差＜±3 體素（voxel）。
標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)：清華大學(xué)聯(lián)合 12 家單位建立 “小動(dòng)物光聲 - 超聲影像數(shù)據(jù)庫(kù)”，包含 500 + 例腫瘤、心血管、神經(jīng)疾病模型數(shù)據(jù)，支持算法訓(xùn)練與跨中心研究。
3. 臨床轉(zhuǎn)化瓶頸
探針標(biāo)準(zhǔn)化：國(guó)家藥監(jiān)局 2024 年發(fā)布《光聲成像對(duì)比劑臨床試驗(yàn)指導(dǎo)原則》，推動(dòng)納米碳、金納米棒等探針的注冊(cè)審批流程。
設(shè)備便攜化：上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的手持式雙模態(tài)探頭（重量＜300g），在豬甲狀腺模型中實(shí)現(xiàn)術(shù)中快速篩查（每例＜2 分鐘），已完成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
六、未來(lái)發(fā)展方向
1.更高維度的信息整合：結(jié)合超極化 13C-MRI 與光聲成像，實(shí)現(xiàn)代謝物（如乳酸）與血氧的同步三維映射，在腫瘤微環(huán)境研究中解析 Warburg 效應(yīng)的時(shí)空異質(zhì)性。
2.長(zhǎng)時(shí)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：開(kāi)發(fā)可植入式微型探頭（尺寸＜2mm），在小鼠模型中實(shí)現(xiàn)連續(xù) 28 天的腫瘤生長(zhǎng)與治療響應(yīng)的實(shí)時(shí)追蹤。
3.AI 深度賦能：構(gòu)建基于 Transformer 的多模態(tài)大模型，實(shí)現(xiàn)從原始信號(hào)到病理診斷的端到端分析，在神經(jīng)退行性疾病中自動(dòng)識(shí)別早期病理特征（如 Aβ 斑塊）。
4.跨物種應(yīng)用拓展：優(yōu)化系統(tǒng)兼容性，在非人靈長(zhǎng)類(lèi)（如食蟹猴）模型中實(shí)現(xiàn)心血管疾病與神經(jīng)精神疾病的臨床前研究，加速向人類(lèi)轉(zhuǎn)化。
總結(jié)
小動(dòng)物活體光聲 / 超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)融合與智能化升級(jí)，正在推動(dòng)生命科學(xué)研究從結(jié)構(gòu)觀察向功能解析、從靜態(tài)描述向動(dòng)態(tài)調(diào)控的范式轉(zhuǎn)變。其在腫瘤精準(zhǔn)治療、神經(jīng)退行性疾病機(jī)制研究及藥物研發(fā)中的突破性應(yīng)用，已展現(xiàn)出巨大的科學(xué)價(jià)值與臨床潛力。隨著國(guó)產(chǎn)設(shè)備性能的提升、AI 算法的深度整合及跨學(xué)科研究的推進(jìn)，該技術(shù)有望成為連接基礎(chǔ)研究與臨床轉(zhuǎn)化的核心工具，為攻克重大疾病提供新的技術(shù)路徑。
