在临床前研究中，小动物模型（如小鼠、大鼠）是解析疾病机制、验证药物疗效的核心载体，其成像需求集中于 “高分辨率 - 动态追踪 - 多参数同步获取” 三大维度。传统单一模态技术（如荧光成像、超声成像）难以同时满足：荧光成像虽能定位细胞，但穿透深度不足 1mm，无法覆盖小动物全身组织；超声成像虽可观测深部器官，却缺乏功能信息。小动物多模态光声成像技术凭借 “光学特异性 + 超声深穿透” 的融合优势，结合针对小动物生理特性的技术适配，已成为临床前研究的核心成像工具。

一、技术原理与小动物场景的适配性

小动物多模态光声成像的核心原理与通用光声技术一致 —— 通过脉冲激光（常用波长 700-1100nm 近红外波段，适配小动物组织光学窗口）照射目标组织，利用血红蛋白（氧合 / 去氧）、黑色素、外源造影剂（如金纳米颗粒）的特异性光吸收产生热膨胀，激发超声信号后通过微型化探头接收，再结合其他模态数据实现多维度成像。

针对小动物的特殊性，该技术在三方面进行适配优化：一是波长选择，采用近红外 II 区（1000-1700nm）激光，减少小鼠毛发、皮肤对光的散射，将穿透深度提升至 3-5mm，可覆盖小鼠肝脏、肾脏等深部器官；二是探头微型化，开发直径＜5mm 的阵列超声探头，适配小动物狭小体腔（如小鼠胸腔），同时实现微米级分辨率（最高达 3μm），可清晰观测毛细血管网络；三是活体固定系统，集成恒温控温、呼吸门控模块，消除小鼠呼吸（频率 60-120 次 / 分）、心跳（300-600 次 / 分）导致的运动伪影，确保长时间动态成像稳定性。

二、核心模态融合方案与技术突破

（一）主流模态融合类型及应用价值

光声 - 超声双模融合：是小动物成像最成熟的方案，共享超声探头实现信号同步采集。例如，深圳先进院研发的小动物光声 - 超声系统，可在同视野下同步获取小鼠肿瘤的解剖结构（超声）与血管生成密度（光声），量化肿瘤微环境中血流速度变化（精度达 0.1mm/s），为抗血管生成药物疗效评估提供直接依据。

光声 - 荧光双模融合：聚焦细胞级追踪，通过共聚焦光学系统将光声信号（组织功能）与荧光信号（特异性细胞标记）叠加。郑海荣团队开发的 OR-PAM-CFM 系统，可在小鼠脑皮层成像中，同步观测神经元活动（荧光标记钙信号）与脑血流动态（光声监测血氧变化），解析神经活动与血流耦合机制。

光声 - MRI 双模融合：兼顾宏观结构与微观功能，MRI 提供小动物全身器官定位（如小鼠肝脏、肺部），光声则聚焦局部区域功能量化（如肝脏病灶的血氧饱和度）。该方案已用于非酒精性脂肪肝小鼠模型，实现肝脂肪变性区域与血流灌注异常区域的精准匹配。

（二）关键技术突破

运动伪影校正算法：针对小鼠高频率生理活动，开发基于深度学习的实时校正模型，通过捕捉呼吸周期中的组织位移规律，将图像信噪比提升 50% 以上，确保 6 小时连续成像的数据稳定性。

多靶点造影剂设计：研发可同时响应光声与荧光的金纳米棒造影剂，表面修饰肿瘤靶向肽（如 RGD），实现小鼠肿瘤的 “精准定位（荧光）- 血流量化（光声）” 双重监测，靶向效率较传统造影剂提升 3 倍。

全身成像快速扫描：采用环形阵列探头与螺旋扫描技术，将小鼠全身光声成像时间从 30 分钟缩短至 5 分钟，避免长时间麻醉对小鼠生理状态的干扰。

三、核心应用场景：驱动临床前研究升级

（一）肿瘤学研究

在小鼠移植瘤模型中，光声 - 超声双模系统可动态监测肿瘤生长过程中的血管密度变化：给药前肿瘤区域血管紊乱（光声信号强弱不均），经抗血管生成药物（如贝伐珠单抗）处理后，72 小时内光声信号强度下降 40%，且与病理切片中的血管内皮细胞密度呈显著负相关（R²=0.89），为药物剂量优化提供量化依据。此外，该技术还可追踪免疫细胞（如 CAR-T 细胞）在肿瘤微环境中的浸润过程，通过荧光标记 CAR-T 细胞、光声监测肿瘤血流，解析免疫细胞与肿瘤血管的相互作用。

（二）神经科学研究

在小鼠癫痫模型中，光声 - 荧光双模系统可同步记录癫痫发作时的脑区活动：发作前小鼠海马区血氧饱和度稳定（约 95%），发作时该区域血氧快速下降至 70%（光声监测），同时荧光标记的神经元钙信号显著增强，证实脑区过度激活与局部缺血的关联。此外，该技术还可用于小鼠帕金森模型的黑质多巴胺能神经元监测，通过光声信号量化黑色素含量变化，反映神经元损伤程度。

（三）心血管研究

在小鼠动脉粥样硬化模型中，光声 - 超声系统可清晰显示主动脉根部的斑块形态（超声）与斑块内新生血管密度（光声）：斑块区域光声信号强度与斑块易损性呈正相关，为评估斑块破裂风险提供新指标。同时，该技术可动态监测小鼠心肌梗死模型的再灌注过程，量化缺血区域血流恢复速率，指导溶栓药物的疗效评价。

四、未来应用展望：技术突破与场景拓展

更高时空分辨率升级：开发高重频（100kHz 以上）脉冲激光器与高速扫描探头，将成像帧率从目前的 1-5 帧 / 秒提升至 30 帧 / 秒，实现小鼠心脏跳动（约 10 次 / 秒）、血管搏动等瞬时动态的实时捕捉；同时通过超分辨算法，将空间分辨率突破至 1μm，观测单个细胞的动态行为。

多参数集成成像：融合光声、超声、荧光、拉曼等多模态信号，实现 “组织结构（超声）- 血流功能（光声）- 分子表达（荧光）- 代谢状态（拉曼）” 的四维度同步监测，例如在糖尿病小鼠模型中，同时评估肾脏结构损伤、血流灌注、炎症因子表达与葡萄糖代谢异常。

临床转化衔接：基于小动物模型的成像数据，建立 “小动物 - 大动物 - 临床” 的技术转化路径。例如，通过小鼠肿瘤光声成像优化的造影剂剂量与激光参数，可直接指导大动物（如兔、猪）模型的实验设计，加速光声技术向临床肿瘤诊断、神经疾病监测的转化。

总结

小动物多模态光声成像技术通过针对小动物生理特性的技术适配与多模态融合创新，已成为临床前研究中解析疾病机制、验证药物疗效的核心工具。未来，随着时空分辨率提升、多参数集成及临床转化衔接的突破，该技术将进一步缩短 “实验室研究 - 临床应用” 的距离，为精准医疗的发展提供关键数据支撑。