活體小動物無損無標記光聲三維立體成像設備，是生物醫學成像領域的革命性手段，它基于生物組織自身成分的光學吸收特性，通過光聲效應實現對小動物體內結構（如血管、腫瘤、器官）的三維、無創、高對比度成像，無需外源性造影劑或標記物，為活體動態研究提供了 “真實、自然” 的可視化工具。以下從技術原理、核心特性、成像流程、典型應用及優勢展開說明：

一、技術核心原理：光聲效應驅動的三維成像

該技術的基礎是光聲效應：當脈沖激光（500-1700nm）照射活體小動物組織時，內源性吸收物質（如血紅蛋白、黑色素、脂質、細胞色素）吸收光能后瞬間熱膨脹，產生超聲波（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。

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

三維立體解析：通過機械掃描（平移 / 旋轉激光或探測器）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）觀察組織的立體結構，量化分析體積、密度、空間分布等參數。

二、技術核心特性：超越傳統成像的優勢

高對比度與深穿透的平衡

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

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

功能與結構信息同步獲取

結構層面：三維顯示器官輪廓、腫瘤邊界、血管分支等解剖細節；

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（如腫瘤內低氧區域提示惡性程度）。

無損動態監測能力

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

無標記干擾：避免外源性標記物的毒性或免疫反應，確保實驗結果反映動物真實生理狀態。

三、成像流程：從樣本準備到三維重建

1. 小動物準備與系統調試

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、心跳導致的運動偽影；

參數設置：根據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域）、分辨率（通常 5-50μm，兼顧細節與成像速度）。

2. 三維數據采集與重建

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

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

3. 量化分析

提取三維參數：如腫瘤體積、血管分支數、血管密度、血氧飽和度空間分布等；

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

四、典型應用場景：多器官與生理過程的成像

1. 血管系統三維成像

全身血管網絡：清晰顯示小鼠主動脈、分支血管及毛細血管床的立體分布，量化血管直徑、長度、分支角度，用于研究血管發育畸形（如先天性心臟病的血管異常）或疾病（如動脈粥樣硬化的斑塊與血管的空間關系）。

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聯，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

腦血管與腦結構：穿透顱骨成像腦皮層微血管網絡，三維顯示腦血管與腦區（如海馬、皮層）的空間對應關系，用于腦卒中模型中缺血區域的血管閉塞范圍與再通動態追蹤。

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

3. 腹部器官成像

肝臟與腎臟：三維顯示肝內血管分布與肝小葉結構，評估肝纖維化時的血管重構；成像腎皮質與髓質的血流差異，監測急性腎損傷后的血流灌注恢復過程。

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

4. 腫瘤動態監測

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

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

五、技術挑戰與未來方向

1. 當前挑戰

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節。

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

三維數據處理復雜：單只小鼠全身成像數據量達數十 GB，實時三維重建需高性能計算支持，普通實驗室難以普及。

2. 未來發展趨勢

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

多模態融合：與超聲、OCT 等技術結合，互補優勢（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、血管等結構，量化參數并預測疾病進展（如腫瘤轉移風險），降低人工分析成本；

臨床前轉化：標準化成像流程，推動該技術成為藥物研發中評估療效的 “金標準”，加速從動物實驗到臨床應用的轉化。

活體小動物無損無標記光聲三維立體成像設備，以 “無創、無標記、三維、功能” 的優勢，為生命科學研究提供了觀察活體動態過程的 “窗口”。其在腫瘤學、神經科學、心血管研究等領域的應用，不僅深化了對疾病機制的理解，也為藥物研發、個性化醫療提供了關鍵的在體驗證工具，未來有望成為生物醫學成像領域的核心技術之一。