協(xié)同多模態(tài)成像技術(shù)通過(guò)整合高分辨率超聲（US）與功能光聲（PA）的優(yōu)勢(shì)，為小動(dòng)物研究提供了從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀功能的全面解析能力。這種技術(shù)不僅突破了單一模態(tài)的局限性，更通過(guò)數(shù)據(jù)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物過(guò)程的多維動(dòng)態(tài)追蹤。以下從技術(shù)協(xié)同機(jī)制、應(yīng)用突破及前沿進(jìn)展展開(kāi)分析：

一、技術(shù)協(xié)同機(jī)制與核心優(yōu)勢(shì)

1.雙模態(tài)信號(hào)互補(bǔ)原理

超聲結(jié)構(gòu)成像：通過(guò)高頻超聲探頭（13-55 MHz）實(shí)現(xiàn) 30-75 μm 分辨率的組織聲阻抗差異成像，可清晰顯示血管形態(tài)、器官邊界及腫瘤微結(jié)構(gòu)。例如，玉研 Sonorover 系統(tǒng)通過(guò) 256 通道陣元設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了心肌應(yīng)變的定量分析，檢測(cè)早期心功能異常。

光聲功能成像：利用脈沖激光（680-2000 nm）激發(fā)組織內(nèi)源性（如血紅蛋白）或外源性（如 ICG）光吸收體，通過(guò)光聲信號(hào)反映血氧飽和度（sO?）、血流分布等功能信息。復(fù)旦大學(xué)劉超課題組開(kāi)發(fā)的多光譜光聲顯微成像系統(tǒng)，可同時(shí)提取血氧飽和度、血流速度等 10 余項(xiàng)生理指標(biāo)，檢測(cè)時(shí)間縮短至亞微秒級(jí)。

實(shí)時(shí)融合機(jī)制：兩種模態(tài)信號(hào)同步采集并自動(dòng)共定位，例如 Vevo F2 LAZR-X 系統(tǒng)通過(guò) PA EKV 技術(shù)實(shí)現(xiàn)心血管光聲成像幀頻 1000 幀 / 秒，動(dòng)態(tài)追蹤心跳周期內(nèi)的血流變化。

2.多尺度成像能力擴(kuò)展

顯微級(jí)分辨率：無(wú)造影劑時(shí)，光聲成像可對(duì) 3 mm 內(nèi)組織實(shí)現(xiàn)微米級(jí)分辨率（如腦血管、膠質(zhì)淋巴管）；結(jié)合外源性造影劑（如 FeNP/ICG 微膠囊），穿透深度擴(kuò)展至 6 mm，分辨率仍保持 20 μm。

深層組織穿透：低頻超聲探頭（1-71 MHz）與近紅外二區(qū)（NIR II, 1064-2000 nm）激光結(jié)合，可實(shí)現(xiàn) 9 cm 深度成像，適用于大鼠、兔等較大動(dòng)物模型。例如，Vevo F2 LAZR-X 通過(guò)低頻探頭兼容，清晰顯示深部腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)的三維分布。

3.動(dòng)態(tài)功能分析與數(shù)據(jù)挖掘

光譜解混與三維重建：多波長(zhǎng)激光掃描（如 532 nm、770-840 nm、1064 nm）可區(qū)分氧合血紅蛋白（HbO?）與脫氧血紅蛋白（Hb），生成 sO?分布圖；結(jié)合機(jī)械掃描或聲學(xué)振鏡實(shí)現(xiàn) 3D 容積成像（如 2.5×2.5×2.5 cm 區(qū)域 3 秒快速掃描）。

AI 驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)處理：武漢光電國(guó)家研究中心開(kāi)發(fā)的 SAMPA 工作流，基于基礎(chǔ)模型（如 Segment Anything Model）實(shí)現(xiàn)光聲圖像的自動(dòng)分割與重建，無(wú)需訓(xùn)練即可在 0.1 秒內(nèi)完成復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)識(shí)別。

二、應(yīng)用突破與典型案例

1.腫瘤研究：從血管生成到精準(zhǔn)治療

血管形態(tài)與代謝監(jiān)測(cè)：光聲成像可無(wú)標(biāo)記顯示腫瘤內(nèi)部異常血管（如 U-87MG 膠質(zhì)瘤的動(dòng)靜脈畸形），結(jié)合超聲結(jié)構(gòu)像評(píng)估血管密度與形態(tài)。例如，微重力培養(yǎng)的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤類器官在光聲 - 超聲平臺(tái)下，可實(shí)時(shí)觀察替莫唑胺耐藥模型的血管重塑過(guò)程。

藥物遞送與治療評(píng)估：負(fù)載 FeNP/ICG 的微膠囊（尺寸 4±0.5 μm）通過(guò)光聲信號(hào)追蹤，實(shí)現(xiàn)腫瘤內(nèi)藥物分布的超分辨率成像（分辨率 20 μm），并結(jié)合血流速度圖譜優(yōu)化給藥方案。玉研系統(tǒng)通過(guò) “成像 - 治療 - 成像” 閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向消融與療效實(shí)時(shí)評(píng)估。

2.神經(jīng)科學(xué)：腦功能與疾病機(jī)制解析

腦血管與膠質(zhì)淋巴成像：光聲 - 超聲系統(tǒng)可清晰顯示小鼠腦皮層血管網(wǎng)絡(luò)（分辨率 50 μm）及膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)，例如區(qū)分皮層穿透血管與軟腦膜血管，為中風(fēng)、阿爾茨海默病研究提供新工具。

神經(jīng)活動(dòng)關(guān)聯(lián)成像：通過(guò)光聲 sO?成像結(jié)合超聲多普勒，可同步監(jiān)測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)引發(fā)的局部血流變化。例如，在癲癇模型中，fUS 技術(shù)以每秒 100 幀的速度捕捉腦血流動(dòng)態(tài)變化，精準(zhǔn)定位異常放電區(qū)域。

3.心血管研究：血流動(dòng)力學(xué)與心肌功能評(píng)估

血流速度與斑塊分析：光聲血流速度圖譜（精度 6.9 mm/s）與超聲多普勒結(jié)合，可分析動(dòng)脈粥樣硬化模型的斑塊內(nèi)新生血管血流特征，評(píng)估抗血管生成藥物療效。Vevo F2 LAZR-X 的 PA EKV 技術(shù)支持心血管光聲成像幀頻 1000 幀 / 秒，動(dòng)態(tài)追蹤心跳周期內(nèi)的血流變化。

心肌功能與缺氧監(jiān)測(cè)：M 超模式（運(yùn)動(dòng)模式）結(jié)合光聲 sO?成像，可同步測(cè)量心臟收縮期 / 舒張期室壁厚度變化及局部缺氧情況，適用于心梗后修復(fù)研究。

4.類器官與空間生物學(xué)：從培養(yǎng)到成像的閉環(huán)研究

三維類器官動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：在微重力培養(yǎng)的母細(xì)胞瘤類器官中，光聲 - 超聲平臺(tái)可實(shí)時(shí)觀察血管網(wǎng)絡(luò)形成（直徑 > 100 μm）及藥物滲透動(dòng)態(tài)。例如，CAR-T 細(xì)胞在類器官內(nèi)的穿透深度從 150 μm 提升至 300 μm。

空間轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析：結(jié)合結(jié)構(gòu)融合增強(qiáng)圖卷積網(wǎng)絡(luò)（SFE-GCN），光聲斷層掃描圖像可自動(dòng)分割肝臟、腎臟等器官，為空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析提供精準(zhǔn)解剖定位。

三、技術(shù)進(jìn)展與未來(lái)方向

1.硬件創(chuàng)新與小型化

聲學(xué)掃描振鏡技術(shù)：基于單個(gè)超聲換能器結(jié)合一維聲學(xué)掃描振鏡的雙模態(tài)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型化、低成本與快速成像。例如，實(shí)驗(yàn)室自建系統(tǒng)通過(guò) MEMS 掃描振鏡，在 15.6 mm 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超聲 1 B 掃描 / 秒、光聲 0.1 B 掃描 / 秒的成像速度。

多模態(tài)融合設(shè)備：國(guó)產(chǎn)光 - 聲多模態(tài)小動(dòng)物成像儀集成光聲顯微鏡、超聲顯微鏡與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，支持 532 nm、NIR I、NIR II 多波長(zhǎng)同步成像，在無(wú)需造影劑時(shí)實(shí)現(xiàn) 3 mm 內(nèi)微米級(jí)分辨率。

2.AI 驅(qū)動(dòng)的功能增強(qiáng)

運(yùn)動(dòng)估計(jì)與 3D 重建：韓國(guó)科學(xué)家提出的 MoGLo-Net 模型，通過(guò)全局 - 局部注意力機(jī)制和塊狀相關(guān)操作，解決了手持式光聲超聲 3D 重建中的運(yùn)動(dòng)估計(jì)難題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡掃描下的高精度血管可視化。

個(gè)性化治療模型：基于患者來(lái)源類器官（PDOs）的基因表達(dá)譜，開(kāi)發(fā)人工智能驅(qū)動(dòng)的藥物反應(yīng)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)MYCN擴(kuò)增、IDH 突變等分子亞型的精準(zhǔn)治療。

3.臨床轉(zhuǎn)化與空間應(yīng)用

醫(yī)療器械認(rèn)證：華南師范大學(xué)楊思華團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的皮膚光聲顯微成像儀獲國(guó)家藥監(jiān)局創(chuàng)新醫(yī)療器械認(rèn)定，突破皮膚高分辨率檢測(cè)的深度極限（>1 mm），用于真皮深層畸形血管檢測(cè)。

太空生物學(xué)研究：計(jì)劃在國(guó)際空間站（ISS）部署輕量化光聲 - 超聲平臺(tái)，研究微重力環(huán)境下腫瘤類器官的血管生成機(jī)制，為深空探測(cè)任務(wù)提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

四、挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

1.技術(shù)瓶頸與解決方案

成像速度限制：光聲成像受激光重復(fù)頻率（通常 20 Hz）制約，動(dòng)態(tài)追蹤高頻生理過(guò)程需依賴超高速激光器（如 Vevo F2 LAZR-X 的 PA EKV 技術(shù)）或 AI 加速重建算法。

數(shù)據(jù)處理復(fù)雜性：三維光聲 - 超聲數(shù)據(jù)量龐大，需 AI 算法加速重建。例如，SAMPA 工作流通過(guò)基礎(chǔ)模型實(shí)現(xiàn)無(wú)需訓(xùn)練的高效分割，顯著降低應(yīng)用門檻。

造影劑生物安全性：外源性納米探針（如 FeNP/ICG 微膠囊）的長(zhǎng)期毒性仍需驗(yàn)證，可降解材料（如聚電解質(zhì)）成為研究熱點(diǎn)。

2.未來(lái)研究方向

超分辨率與多模態(tài)融合：結(jié)合單粒子定位技術(shù)（如 LOT），光聲成像分辨率從 50 μm 提升至 20 μm；集成光聲 - 超聲與熒光分子斷層掃描（FMT），實(shí)現(xiàn) “結(jié)構(gòu) - 功能 - 分子” 三位一體成像。

跨學(xué)科整合：結(jié)合單細(xì)胞測(cè)序、代謝組和表觀基因組數(shù)據(jù)，構(gòu)建微重力誘導(dǎo)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示MYCN、YAP/TAZ和WNT通路之間的協(xié)同作用機(jī)制。

總結(jié)

協(xié)同多模態(tài)成像技術(shù)通過(guò)高分辨率超聲與功能光聲的深度融合，為小動(dòng)物研究提供了從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀功能的全面解析能力。其核心優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)追蹤、多尺度成像及 AI 驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)挖掘，已在腫瘤研究、神經(jīng)科學(xué)、心血管疾病等領(lǐng)域取得顯著突破。未來(lái)，隨著硬件小型化、AI 算法優(yōu)化及臨床轉(zhuǎn)化的推進(jìn)，該技術(shù)有望成為連接基礎(chǔ)研究與個(gè)性化醫(yī)療的關(guān)鍵工具，同時(shí)為深空探測(cè)等前沿領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。