活體小動物無損無標(biāo)記光聲三維立體成像設(shè)備，是生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的革命性手段，它基于生物組織自身成分的光學(xué)吸收特性，通過光聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對小動物體內(nèi)結(jié)構(gòu)（如血管、腫瘤、器官）的三維、無創(chuàng)、高對比度成像，無需外源性造影劑或標(biāo)記物，為活體動態(tài)研究提供了 “真實(shí)、自然” 的可視化工具。以下從技術(shù)原理、核心特性、成像流程、典型應(yīng)用及優(yōu)勢展開說明：

一、技術(shù)核心原理：光聲效應(yīng)驅(qū)動的三維成像

該技術(shù)的基礎(chǔ)是光聲效應(yīng)：當(dāng)脈沖激光（500-1700nm）照射活體小動物組織時，內(nèi)源性吸收物質(zhì)（如血紅蛋白、黑色素、脂質(zhì)、細(xì)胞色素）吸收光能后瞬間熱膨脹，產(chǎn)生超聲波（光聲信號）。通過陣列式超聲探測器采集不同角度的光聲信號，經(jīng)三維重建算法（如反投影、傅里葉變換）反演吸收體的空間分布，最終生成三維立體圖像。

無損無標(biāo)記的本質(zhì)：依賴生物組織自身的光學(xué)吸收差異（如血管中血紅蛋白對 532nm 激光的強(qiáng)吸收、腫瘤細(xì)胞高代謝導(dǎo)致的色素積累），無需注射造影劑、熒光探針或進(jìn)行基因編輯，避免外源性物質(zhì)對動物生理狀態(tài)的干擾。

三維立體解析：通過機(jī)械掃描（平移 / 旋轉(zhuǎn)激光或探測器）或電子聚焦，獲取 x、y、z 三個維度的光聲信號，重建后可從任意切面（橫斷面、冠狀面、矢狀面）觀察組織的立體結(jié)構(gòu)，量化分析體積、密度、空間分布等參數(shù)。

二、技術(shù)核心特性：超越傳統(tǒng)成像的優(yōu)勢

高對比度與深穿透的平衡

對血管、腫瘤等富含吸收物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，對比度比超聲成像高 10-100 倍，可清晰區(qū)分微小血管（直徑 5-10μm）；

穿透深度達(dá)數(shù)毫米至厘米級（如小鼠全身成像可達(dá) 2cm），解決熒光成像（穿透 < 1mm）和光學(xué)相干斷層掃描（OCT，深度 < 2mm）的局限，覆蓋腦部、腹部、皮下等多部位。

功能與結(jié)構(gòu)信息同步獲取

結(jié)構(gòu)層面：三維顯示器官輪廓、腫瘤邊界、血管分支等解剖細(xì)節(jié)；

功能層面：通過分析光聲信號的光譜特性，量化血氧飽和度（氧合 / 脫氧血紅蛋白的光譜差異）、血流速度、代謝活性等生理參數(shù)（如腫瘤內(nèi)低氧區(qū)域提示惡性程度）。

無損動態(tài)監(jiān)測能力

無創(chuàng)傷性：激光與超聲波對組織的損傷極小，可對同一小動物進(jìn)行長期追蹤（如每周 1 次成像），觀察腫瘤生長、血管發(fā)育、器官修復(fù)等動態(tài)過程；

無標(biāo)記干擾：避免外源性標(biāo)記物的毒性或免疫反應(yīng)，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映動物真實(shí)生理狀態(tài)。

三、成像流程：從樣本準(zhǔn)備到三維重建

1. 小動物準(zhǔn)備與系統(tǒng)調(diào)試

動物麻醉與固定：通過麻醉小動物（如小鼠、大鼠），固定于恒溫（37℃）成像平臺，減少呼吸、心跳導(dǎo)致的運(yùn)動偽影；

參數(shù)設(shè)置：根據(jù)成像部位選擇激光波長（如 532nm 用于血管成像，900nm 用于深層器官）、掃描范圍（如腦部成像需覆蓋顱頂區(qū)域）、分辨率（通常 5-50μm，兼顧細(xì)節(jié)與成像速度）。

2. 三維數(shù)據(jù)采集與重建

信號采集：激光脈沖激發(fā)組織產(chǎn)生光聲信號，由超聲陣列探測器同步接收，通過三維掃描獲取全視野數(shù)據(jù)（單部位成像時間 5-20 分鐘）；

三維重建：利用專用軟件（如 ViewMSOT、RAPID）對原始信號進(jìn)行降噪、校正后，通過算法生成立體圖像，支持實(shí)時預(yù)覽和交互式調(diào)整（如透明化顯示、局部放大）。

3. 量化分析

提取三維參數(shù)：如腫瘤體積、血管分支數(shù)、血管密度、血氧飽和度空間分布等；

動態(tài)對比：通過多次成像數(shù)據(jù)的疊加，分析參數(shù)隨時間的變化（如腫瘤體積每周增長速率、血管修復(fù)過程中的分支增加趨勢）。

四、典型應(yīng)用場景：多器官與生理過程的成像

1. 血管系統(tǒng)三維成像

全身血管網(wǎng)絡(luò)：清晰顯示小鼠主動脈、分支血管及毛細(xì)血管床的立體分布，量化血管直徑、長度、分支角度，用于研究血管發(fā)育畸形（如先天性心臟病的血管異常）或疾?。ㄈ鐒用}粥樣硬化的斑塊與血管的空間關(guān)系）。

腫瘤血管生成：在乳腺癌、肝癌模型中，三維成像可觀察腫瘤周邊 “雜亂分支” 的新生血管，分析其與腫瘤侵襲方向的關(guān)聯(lián)，評估抗血管生成藥物（如貝伐珠單抗）的療效（如治療后血管密度下降 30% 以上）。

2. 腦部成像

腦血管與腦結(jié)構(gòu)：穿透顱骨成像腦皮層微血管網(wǎng)絡(luò)，三維顯示腦血管與腦區(qū)（如海馬、皮層）的空間對應(yīng)關(guān)系，用于腦卒中模型中缺血區(qū)域的血管閉塞范圍與再通動態(tài)追蹤。

腦腫瘤研究：無創(chuàng)識別膠質(zhì)瘤的位置與體積，通過血氧飽和度分布區(qū)分腫瘤核心（低氧）與邊緣（相對高氧），指導(dǎo)放療靶區(qū)的精準(zhǔn)定位。

3. 腹部器官成像

肝臟與腎臟：三維顯示肝內(nèi)血管分布與肝小葉結(jié)構(gòu)，評估肝纖維化時的血管重構(gòu)；成像腎皮質(zhì)與髓質(zhì)的血流差異，監(jiān)測急性腎損傷后的血流灌注恢復(fù)過程。

腫瘤轉(zhuǎn)移：在肺癌、胃癌模型中，追蹤腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移至肝臟、肺部的微小病灶（<1mm），觀察轉(zhuǎn)移灶與器官血管的相互作用。

4. 腫瘤動態(tài)監(jiān)測

皮下腫瘤：三維量化腫瘤體積隨時間的變化，結(jié)合血氧信息判斷腫瘤代謝活性（如體積增大伴隨低氧區(qū)域擴(kuò)大提示惡性進(jìn)展）。

原位腫瘤：如腦部膠質(zhì)瘤、胰腺癌，無創(chuàng)成像腫瘤與周圍器官（如胰腺與十二指腸）的浸潤關(guān)系，避免解剖導(dǎo)致的信息丟失。

五、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向

1. 當(dāng)前挑戰(zhàn)

分辨率與成像速度的矛盾：高分辨率成像（5μm）需密集掃描，耗時較長（>20 分鐘），易受動物體動影響；快速成像則可能犧牲細(xì)節(jié)。

深層組織分辨率衰減：超過 1cm 深度后，光聲信號衰減導(dǎo)致分辨率下降（>50μm），難以清晰顯示深部微小結(jié)構(gòu)（如腹腔微小腫瘤）。

三維數(shù)據(jù)處理復(fù)雜：單只小鼠全身成像數(shù)據(jù)量達(dá)數(shù)十 GB，實(shí)時三維重建需高性能計(jì)算支持，普通實(shí)驗(yàn)室難以普及。

2. 未來發(fā)展趨勢

超分辨與高速成像：開發(fā)多焦點(diǎn)激光激發(fā)與并行探測技術(shù)，將成像時間縮短至分鐘級，同時保持微米級分辨率；

多模態(tài)融合：與超聲、OCT 等技術(shù)結(jié)合，互補(bǔ)優(yōu)勢（如超聲提供器官輪廓，光聲提供功能信息），提升三維成像的全面性；

智能化分析：利用 AI 算法自動識別腫瘤、血管等結(jié)構(gòu)，量化參數(shù)并預(yù)測疾病進(jìn)展（如腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)），降低人工分析成本；

臨床前轉(zhuǎn)化：標(biāo)準(zhǔn)化成像流程，推動該技術(shù)成為藥物研發(fā)中評估療效的 “金標(biāo)準(zhǔn)”，加速從動物實(shí)驗(yàn)到臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

活體小動物無損無標(biāo)記光聲三維立體成像設(shè)備，以 “無創(chuàng)、無標(biāo)記、三維、功能” 的優(yōu)勢，為生命科學(xué)研究提供了觀察活體動態(tài)過程的 “窗口”。其在腫瘤學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心血管研究等領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅深化了對疾病機(jī)制的理解，也為藥物研發(fā)、個性化醫(yī)療提供了關(guān)鍵的在體驗(yàn)證工具，未來有望成為生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。