小动物活体成像技术是现代生物医学研究的核心工具之一，尤其在肿瘤学、心血管疾病、神经科学及药物研发领域，其非侵入性、实时动态监测的能力为疾病机制解析和疗效评估提供了关键支持。传统成像技术（如MRI、CT、PET）虽具有高分辨率或功能代谢分析能力，但存在辐射损伤、成本高昂或无法实时观测等局限。相比之下，光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI）作为一种新兴的多模态成像技术，通过结合光学激发与超声检测，实现了高对比度、高穿透深度（可达数厘米）的活体组织成像，同时可量化血氧饱和度、血红蛋白浓度等生理参数，成为小动物研究中的理想选择。

一、系统研制背景与核心技术

小动物活体多模态光声成像系统通过整合光声成像、超声成像、荧光成像及白光成像技术，实现了对活体动物组织结构、功能代谢及分子事件的实时、无创、高分辨率监测。其核心技术包括：

1.光声-超声双模态成像

光声成像：利用脉冲激光照射生物组织，组织吸收光能后产生热弹性膨胀，发射超声波，通过超声探头接收信号并重建图像。该技术结合了光学成像的高对比度与超声成像的高穿透深度，可清晰显示血管、肿瘤及功能代谢信息（如血氧饱和度）。

超声成像：提供解剖学结构信息，与光声图像共配准，实现结构与功能的双重验证。例如，Vevo®LAZR-X系统通过高频超声探头（30-70 MHz）实现30μm分辨率，支持大鼠、小鼠及斑马鱼的实时成像。

2.多光谱荧光与白光成像

荧光成像：支持绿光至近红外（415-760nm）多光谱检测，兼容荧光蛋白、量子点等标记物，用于追踪分子事件（如基因表达、药物分布）。

白光成像：提供动物矢状面及冠状面解剖参考，辅助精准定位。

3.三维成像与快速扫描

全光谱激光器（660-2300nm）：支持标准扫描36秒完成三维成像，TomoWave系统可实现2.5×2.5×2.5cm空间区域3秒快速扫描。

真正的3D成像：如EndraNexus128系统采用128个立体式螺旋排列超声接收器，实现等向性分辨率（各方向分辨率一致），避免切片式扫描的模糊问题。

二、关键性能指标与评估

1.分辨率与灵敏度

空间分辨率：Vevo®LAZR-X系统达30μm（高频超声），EndraNexus128系统等向性分辨率优于切片式扫描，确保深层组织成像清晰度。

灵敏度：TomoWave系统灵敏度达1pmole/L，可检测低浓度纳米探针；EndraNexus128系统灵敏度15nM（ICG，36秒扫描），满足微量生物标志物检测需求。

2.穿透深度与成像深度

穿透深度：系统穿透深度均超过4cm，如LOIS-3D系统成像深度达4.5cm，支持大鼠等大型动物的深层组织成像。

成像深度验证：通过小鼠背部皮下注射1064nm造影剂实验，验证系统对深层肿瘤的成像能力。

3.成像速度与通量

快速扫描：EndraNexus128系统3秒完成2.5cm³体积扫描，TomoWave系统支持高通量检测，显著提升实验效率。

动物处理速度：EndraNexus128配备两套动物托盘，可同时处理两只动物，减少缓冲时间。

4.多模态融合与定量分析

共配准技术：光声与超声图像自动对齐，如Vevo®LAZR-X系统提供B模、M模、彩色多普勒等多模式超声，与光声图像同步显示。

定量分析软件：支持血氧饱和度、血红蛋白含量测定及光谱分析，如Kuant 2.5软件可批量处理图像并导出发表级数据。

三、应用场景与科研价值

1.肿瘤学研究

肿瘤形态与灌注成像：监测肿瘤生长、血管新生及治疗响应。例如，通过光声成像观察抗肿瘤药物对肿瘤血氧饱和度的影响。

纳米探针定量：追踪纳米材料在肿瘤中的分布及代谢，评估靶向效率。

2.心血管疾病研究

血流动力学监测：利用脉冲多普勒模式测量血流速度，结合光声成像分析心肌血氧供应，研究心肌炎、血栓等疾病的机制。

3.神经生物学与脑功能研究

功能成像：无创监测脑部血氧变化，揭示神经活动与代谢的关联。例如，通过光声成像观察癫痫发作时的脑部血流动态。

4.药物研发与代谢研究

药物分布与疗效评估：实时追踪药物在活体中的分布及代谢途径，优化给药方案。例如，利用荧光成像监测化疗药物在肿瘤中的蓄积情况。

四、系统优势与局限性

1.优势

非侵入性与实时动态监测：避免传统组织切片法的损伤，支持长时间连续观察。

多尺度信息融合：结合光学与超声成像，提供从分子到器官的多层次数据。

高灵敏度与分辨率：可检测低浓度生物分子及微小结构变化。

2.局限性

设备成本与操作复杂度：高端系统价格昂贵，需专业培训方可操作。

成像深度与分辨率的平衡：深层组织成像时，分辨率可能略有下降。

探针依赖性：部分功能（如血氧饱和度测量）需外源性造影剂支持。