大鼠內(nèi)窺光聲超聲采集3D成像系統(tǒng)是一種結(jié)合光聲（PA）與超聲（US）技術(shù)的多模態(tài)成像平臺，專為大鼠等中小型實驗動物設(shè)計，通過微型化探頭實現(xiàn)體內(nèi)深層組織的高分辨率結(jié)構(gòu)與功能同步成像。以下是其技術(shù)原理、核心組件、應(yīng)用場景及最新進展的詳細解析：

一、技術(shù)原理與系統(tǒng)架構(gòu)

1. 光聲與超聲協(xié)同成像機制

光聲成像：利用脈沖激光（如近紅外一區(qū) 680-970 nm 或二區(qū) 1200-2000 nm）激發(fā)組織內(nèi)的生色團（如血紅蛋白、黑色素或外源性探針），產(chǎn)生熱彈性膨脹并釋放超聲波。通過檢測聲波信號，經(jīng)算法重建出組織的光學(xué)吸收分布，實現(xiàn)分子特異性功能成像（如血氧飽和度 sO?、血紅蛋白濃度 THb）。

超聲成像：通過高頻超聲探頭（如 21-55 MHz）發(fā)射聲波并接收反射信號，生成高分辨率結(jié)構(gòu)圖像（如血管直徑、組織邊界）。光聲與超聲信號同步采集，實現(xiàn)結(jié)構(gòu) - 功能數(shù)據(jù)的精準共定位。

2. 核心硬件設(shè)計

微型化內(nèi)

透明（TUT）：如浦項科技大學(xué)開發(fā)的 ePAUS-TU 系統(tǒng)，探頭直徑僅 1.8 mm，采用 PMN-PT 單晶材料，支持光聲與超聲信號的同軸傳輸，橫向分辨率達 91 μm，適用于大鼠直腸、食道等狹窄腔道的深層成像。

光纖集成探頭：如暨南大學(xué)的光纖光聲內(nèi)窺鏡，內(nèi)部包含兩根光纖（激光激發(fā)與超聲探測），直徑 2.75 mm，橫向分辨率 12.5 μm，通過 360° 螺旋掃描實現(xiàn)腸道血管的三維重建。

多模態(tài)成像模塊：

光聲模塊：配備脈沖可調(diào)激光器（如 Nd:YAG 倍頻激光器），支持多波長激發(fā)（如雙波長檢測 sO?），靈敏度達 100 nM 以下。

超聲模塊：高頻線陣探頭（如 MX550D，中心頻率 40 MHz）支持 B 超、多普勒、彈性成像等模式，軸向分辨率 40-100 μm，幀率最高 1000 幀 / 秒。

運動校正與同步技術(shù)：

心電圖（ECG）門控：在心臟成像中，通過 ECG 信號觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，減少心跳運動偽影。例如，3D-PACT 平臺通過 ECG 同步實現(xiàn)大鼠心臟 10 秒內(nèi)的快速掃描，清晰顯示心肌結(jié)構(gòu)與血流動力學(xué)。

螺旋掃描與電機控制：如光纖內(nèi)窺鏡通過線性電機與旋轉(zhuǎn)電機配合，實現(xiàn)連續(xù) 3D 數(shù)據(jù)采集，掃描速度達 1 Hz 旋轉(zhuǎn)頻率。

二、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與性能突破

1. 分辨率與成像深度

結(jié)構(gòu)分辨率：超聲模塊軸向分辨率 40-100 μm（如 MX550D 探頭），光聲模塊橫向分辨率 12.5-200 μm，具體取決于探頭設(shè)計與波長選擇。

功能靈敏度：血氧飽和度（sO?）測量誤差 < 5%，血紅蛋白濃度（THb）檢測下限 < 100 nM，支持微小血管（直徑 < 50 μm）的代謝狀態(tài)分析。

成像深度：近紅外光穿透深度達 12 mm（如 ePAUS-TU 系統(tǒng)），結(jié)合超聲定位可覆蓋大鼠心臟、腸道、腫瘤等深層器官。

2. 數(shù)據(jù)采集與處理效率

幀率與重建速度：光聲 - 超聲同步采集幀率最高達 1000 幀 / 秒（如四川大學(xué)系統(tǒng)），3D 圖像重建時間縮短至分鐘級，支持實時動態(tài)監(jiān)測。

AI 驅(qū)動優(yōu)化：

圖像分割與增強：基于 nnU-Net 的深度學(xué)習(xí)模型自動分割血管、腫瘤等結(jié)構(gòu)，Dice 相似系數(shù) > 0.9。

生理參數(shù)反演：通過自適應(yīng)直方圖均衡化（AHE）算法提升圖像對比度，結(jié)合 CIELab 色彩空間模型量化血液含量、氧合指數(shù)等。

三、典型應(yīng)用場景

1. 心血管疾病研究

心肌缺血與再灌注：

超聲定位冠狀動脈閉塞位置，光聲量化缺血區(qū) sO?驟降（<30%）和半暗帶范圍（sO? 20%-40%），指導(dǎo)溶栓治療時間窗。

3D-PACT 平臺通過 1064 nm 激光穿透胸壁，實現(xiàn)大鼠心臟無創(chuàng)三維成像，顯示心肌厚度、室壁運動及血流速度。

動脈粥樣硬化：

超聲測量斑塊厚度與纖維帽完整性，光聲通過脂質(zhì)特異性波長（1210 nm）識別斑塊內(nèi)脂質(zhì)核心，結(jié)合彈性成像評估易損性。

2. 腫瘤轉(zhuǎn)移與治療評估

腫瘤微環(huán)境分析：

光聲多光譜掃描區(qū)分腫瘤缺氧區(qū)（sO?<50%）與正常組織，結(jié)合超聲觀察血管芽生，評估抗血管生成藥物療效（如貝伐珠單抗治療后 48 小時 THb 降低）。

內(nèi)窺探頭進入大鼠消化道，監(jiān)測腫瘤類器官在微重力培養(yǎng)下的血管網(wǎng)絡(luò)形成與藥物代謝響應(yīng)。

轉(zhuǎn)移灶追蹤：

光聲探測淋巴結(jié)內(nèi)的血氧變化（轉(zhuǎn)移灶 sO?升高），結(jié)合超聲定位腫大淋巴結(jié)，比傳統(tǒng)病理分析提前 3-5 天發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。

3. 神經(jīng)科學(xué)與腦功能成像

中風(fēng)模型評估：

超聲識別腦血管閉塞（如大腦中動脈栓塞），光聲實時監(jiān)測缺血核心區(qū) sO?<20% 和半暗帶范圍，指導(dǎo)溶栓治療。

光纖內(nèi)窺鏡結(jié)合雙波長激發(fā)，區(qū)分腦出血灶的新鮮出血（脫氧血紅蛋白為主，sO?低）與陳舊性出血（氧合血紅蛋白為主，sO?高）。

腦功能分區(qū)研究：

在大鼠視覺皮層研究中，光聲通過血氧響應(yīng)（類似 fMRI）繪制功能分區(qū)圖譜，分辨率達 50 μm，結(jié)合超聲定位腦區(qū)邊界。

4. 代謝疾病與器官功能監(jiān)測

糖尿病血管病變：

超聲評估視網(wǎng)膜血管直徑，光聲量化毛細血管密度（THb 下降）和組織氧合（sO?降低），早期發(fā)現(xiàn)糖尿病視網(wǎng)膜病變。

腎臟成像中，光聲監(jiān)測腎皮質(zhì)血氧變化（腎功能下降導(dǎo)致 sO?異常），結(jié)合超聲觀察腎小球肥大。

脂肪肝研究：

超聲通過回聲強度判斷脂肪肝程度，光聲利用脂質(zhì)吸收差異（930 nm）量化肝內(nèi)脂肪含量，結(jié)合血氧分析評估炎癥活動度。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來趨勢

1. 當前技術(shù)瓶頸

探頭微型化與性能平衡：更小的探頭（如 < 1 mm）可能導(dǎo)致靈敏度下降，需通過透明換能器材料（如 PIN-PMN-PT 單晶）和光纖集成設(shè)計優(yōu)化。

深層組織穿透與信號衰減：顱骨、肋骨等結(jié)構(gòu)對光聲信號的衰減需通過自適應(yīng)光學(xué)（如微泡導(dǎo)星校正）和多波長激發(fā)（如近紅外二區(qū)）突破。

運動偽影與數(shù)據(jù)同步：心跳、呼吸等生理運動需結(jié)合多模態(tài)門控技術(shù)（如 ECG + 呼吸監(jiān)測）和深度學(xué)習(xí)去噪（如 GAN 模型）提升圖像質(zhì)量。

2. 未來發(fā)展方向

AI 驅(qū)動的智能成像：

實時分析與預(yù)測：如 OneTouch-PAT 系統(tǒng)通過 AI 處理光聲 - 超聲數(shù)據(jù)，1 分鐘內(nèi)生成腫瘤 3D 圖像，清晰度提升 3 倍，支持藥物療效早期預(yù)測。

自動化與高通量：結(jié)合多孔板平臺，實現(xiàn)多組大鼠 / 類器官的并行成像，通過機器學(xué)習(xí)模型篩選有效藥物。

分子靶向與診療一體化：

多功能探針：如 CRGD 靶向微泡（CRGD-ICG/PTX-NBs）同時實現(xiàn)成像（ICG 示蹤）藥物釋放，診斷治療協(xié)同增效。

可激活探針：pH / 酶響應(yīng)型探針在腫瘤微環(huán)境中釋放光聲信號，減少背景干擾，提升分子特異性。

臨床轉(zhuǎn)化與惡劣環(huán)境應(yīng)用：

術(shù)中導(dǎo)航原型：如 ePAUS-TU 系統(tǒng)在豬食道中的成功驗證，未來可擴展至大鼠的臨床前研究，支持消化道腫瘤的微創(chuàng)診斷。

太空生物學(xué)研究：開發(fā)耐輻射的小型化探頭，用于太空艙內(nèi)大鼠的實時成像，監(jiān)測微重力對心血管和神經(jīng)系統(tǒng)的影響。

五、典型系統(tǒng)案例與性能對比

系統(tǒng)名稱探頭直徑分辨率（橫向 / 軸向）成像深度幀率核心技術(shù)亮點應(yīng)用場景

ePAUS-TU（浦項科技大學(xué)）1.8 mm91 μm / 70 μm12 mm367 fps透明TUT），同軸光聲 - 超聲大鼠直腸、豬食道的 3D 成像

3D-PACT（浙江大學(xué)）非內(nèi)窺200 μm30 mm10 秒 / 次心電圖門控，大超聲孔徑大鼠心臟無創(chuàng) 3D 成像

Vevo LAZR-X（Fujifilm）2.5 mm45 μm / 30 μm15 mm1000 fps近紅外二區(qū)激光，3D 實時重建大鼠腫瘤、心血管研究

光纖光聲內(nèi)窺鏡（暨南大學(xué)）2.75 mm12.5 μm10 mm1 Hz 旋轉(zhuǎn)光纖超聲傳感器，雙波長激發(fā)大鼠腸道微循環(huán)監(jiān)測

六、總結(jié)

大鼠內(nèi)窺光聲超聲采集3D成像系統(tǒng)通過光聲與超聲的協(xié)同，實現(xiàn)了體內(nèi)深層組織的高分辨率結(jié)構(gòu) - 功能同步成像，在腫瘤、心血管、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢。其核心價值在于多參數(shù)實時監(jiān)測（如血氧、血流、分子探針分布）和動態(tài)三維重建，為疾病機制解析、藥物研發(fā)和治療評估提供了精準工具。隨著探頭微型化、AI 算法優(yōu)化和分子探針技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)將在臨床前研究中發(fā)揮更關(guān)鍵作用，并加速向臨床轉(zhuǎn)化。