活体小鼠脑部光声多模态实时采集通过整合光声成像、超声成像及超分辨率算法，结合光纤负聚焦超声探测器或超快功能性光声显微镜等创新技术，实现了对脑部血流动力学、氧饱和度及结构信息的高时空分辨率三维成像，其具体过程及关键技术如下：

一、技术原理与系统构成

1.光声成像（PA）

利用脉冲激光（如532nm、1064nm）照射小鼠脑组织，内源性物质（血红蛋白、黑色素）吸收光能后产生热膨胀，释放超声波。通过探测超声波并重建图像，可反映血流、血氧饱和度等功能信息。

多波长激发：如532nm靶向氧合血红蛋白，900nm增强组织穿透，实现快速功能性脑成像。

2.超声成像（US）

通过高频超声波（10-100MHz）探测组织密度差异，重建脑部结构（如血管壁、器官轮廓），穿透深度可达厘米级，提供结构背景信息。

3.超分辨率算法

突破光学衍射极限，将分辨率提升至10-200nm，可分辨毛细血管分支、细胞级结构。

深度学习增强：通过U-Net、Transformer等模型减少噪声，优化深层组织分辨率。

4.光纤负聚焦超声探测器

利用光纤柔性特性，弯曲形成负聚焦超声探测器，接收角扩展至120°，最小可探测声压低至5.4 Pa，实现无创全脑高分辨成像。

二、实时采集过程

1.术前准备

麻醉与固定：使用异氟烷麻醉小鼠，固定于立体定位仪，调整头部与仪器平面垂直。

颅骨处理：沿头顶中线切开头皮，剥离骨膜，暴露颅骨，钻孔（直径约2mm）避开主要血管和脑组织。

2.成像系统设置

超快功能性光声显微镜（UFF-PAM）：

采用双波长激光（532nm、558nm）激发，水浸式12面多边形扫描仪实现快速三维成像（视场11×7.5×1.5 mm³，频率2 Hz，空间分辨率约10 μm）。

实时捕捉脑皮层血管收缩、舒张及氧饱和度变化，同步监测扩散性抑制（SD）波传播。

光纤负聚焦超声探测器：

通过弯曲光纤结合合成孔径算法，将超声接收角扩展至120°，成像深度超过7 mm，空间分辨率达130 μm。

构建线性扫描光声层析成像系统，实现无创全脑成像及脑内血栓可视化。

3.多模态数据采集

同步采集：光声信号反映血流动力学，超声信号重建脑部结构，通过坐标校准消除系统误差。

三维重建：通过机械扫描或阵列式探测器采集多角度信号，经反投影或傅里叶变换算法生成立体图像，呈现脑部空间分布。

动态监测：实时追踪脑缺血-再灌注、肿瘤血管新生等过程，量化肿瘤体积变化或血管网络分布密度。

4.数据处理与分析

深度学习上采样：应用改进版全密集U-net模型对欠采样图像进行上采样，重建血管连续性，消除伪影，提高图像质量。

特征提取：通过主成分分析、聚类算法区分神经元放电信号与噪音，量化神经电活动与行为关联。

量化评估：计算血氧饱和度、血流速度、血管直径等参数，评估脑缺氧模型或药物疗效。

三、关键技术优势

1.高时空分辨率：UFF-PAM系统实现微血管水平（10 μm）的实时三维成像（2 Hz），光纤负聚焦探测器突破传统超声接收角限制，提升深层组织分辨率。

2.多模态融合：光声（功能）+超声（结构）+荧光（分子）三模态同步采集，提供解剖、功能及分子信息，适用于肿瘤早期诊断与疗效评估。

3.无创动态监测：无需注射造影剂，利用内源性物质成像，适合长期观察（如肿瘤生长、血管发育）。

4.智能化分析：AI自动识别肿瘤边界、计数血管分支、预测疾病进展（如肿瘤转移风险），提升临床转化效率。

四、应用场景

1.脑功能研究：监测脑缺血-再灌注、癫痫发作等过程中的血流动力学变化，定位SD波起源并跟踪传播模式。

2.肿瘤学：无创观察皮下肿瘤或原位肝癌的血管生成动态，评估抗血管生成药物疗效。

3.神经科学：结合颅窗技术，显示皮层微血管分支细节，追踪纳米药物在脑内的分布。

4.药物研发：量化药物载体靶向分布与代谢，验证基因编辑效果（如血管通透性变化）。

总结

活体小鼠脑部光声多模态实时采集通过光声（功能血流）、超声（结构）及超分辨率算法融合，利用超快显微镜或光纤探测器实现高分辨三维成像，同步捕捉脑部动态变化，结合AI分析血氧、血管等参数，助力脑病研究与药物评估。