大鼠内窥光声超声采集3D成像系统是一种结合光声（PA）与超声（US）技术的多模态成像平台，专为大鼠等中小型实验动物设计，通过微型化探头实现体内深层组织的高分辨率结构与功能同步成像。

大鼠内窥光声超声采集3D成像系统是一种结合光声（PA）与超声（US）技术的多模态成像平台，专为大鼠等中小型实验动物设计，通过微型化探头实现体内深层组织的高分辨率结构与功能同步成像。以下是其技术原理、核心组件、应用场景及最新进展的详细解析：

一、技术原理与系统架构

1. 光声与超声协同成像机制

光声成像：利用脉冲激光（如近红外一区 680-970 nm 或二区 1200-2000 nm）激发组织内的生色团（如血红蛋白、黑色素或外源性探针），产生热弹性膨胀并释放超声波。通过检测声波信号，经算法重建出组织的光学吸收分布，实现分子特异性功能成像（如血氧饱和度 sO₂、血红蛋白浓度 THb）。

超声成像：通过高频超声探头（如 21-55 MHz）发射声波并接收反射信号，生成高分辨率结构图像（如血管直径、组织边界）。光声与超声信号同步采集，实现结构 - 功能数据的精准共定位。

2. 核心硬件设计

微型化内

透明（TUT）：如浦项科技大学开发的 ePAUS-TU 系统，探头直径仅 1.8 mm，采用 PMN-PT 单晶材料，支持光声与超声信号的同轴传输，横向分辨率达 91 μm，适用于大鼠直肠、食道等狭窄腔道的深层成像。

光纤集成探头：如暨南大学的光纤光声内窥镜，内部包含两根光纤（激光激发与超声探测），直径 2.75 mm，横向分辨率 12.5 μm，通过 360° 螺旋扫描实现肠道血管的三维重建。

多模态成像模块：

光声模块：配备脉冲可调激光器（如 Nd:YAG 倍频激光器），支持多波长激发（如双波长检测 sO₂），灵敏度达 100 nM 以下。

超声模块：高频线阵探头（如 MX550D，中心频率 40 MHz）支持 B 超、多普勒、弹性成像等模式，轴向分辨率 40-100 μm，帧率最高 1000 帧 / 秒。

运动校正与同步技术：

心电图（ECG）门控：在心脏成像中，通过 ECG 信号触发数据采集，减少心跳运动伪影。例如，3D-PACT 平台通过 ECG 同步实现大鼠心脏 10 秒内的快速扫描，清晰显示心肌结构与血流动力学。

螺旋扫描与电机控制：如光纤内窥镜通过线性电机与旋转电机配合，实现连续 3D 数据采集，扫描速度达 1 Hz 旋转频率。

二、关键技术参数与性能突破

1. 分辨率与成像深度

结构分辨率：超声模块轴向分辨率 40-100 μm（如 MX550D 探头），光声模块横向分辨率 12.5-200 μm，具体取决于探头设计与波长选择。

功能灵敏度：血氧饱和度（sO₂）测量误差 < 5%，血红蛋白浓度（THb）检测下限 < 100 nM，支持微小血管（直径 < 50 μm）的代谢状态分析。

成像深度：近红外光穿透深度达 12 mm（如 ePAUS-TU 系统），结合超声定位可覆盖大鼠心脏、肠道、肿瘤等深层器官。

2. 数据采集与处理效率

帧率与重建速度：光声 - 超声同步采集帧率最高达 1000 帧 / 秒（如四川大学系统），3D 图像重建时间缩短至分钟级，支持实时动态监测。

AI 驱动优化：

图像分割与增强：基于 nnU-Net 的深度学习模型自动分割血管、肿瘤等结构，Dice 相似系数 > 0.9。

生理参数反演：通过自适应直方图均衡化（AHE）算法提升图像对比度，结合 CIELab 色彩空间模型量化血液含量、氧合指数等。

三、典型应用场景

1. 心血管疾病研究

心肌缺血与再灌注：

超声定位冠状动脉闭塞位置，光声量化缺血区 sO₂骤降（<30%）和半暗带范围（sO₂ 20%-40%），指导溶栓治疗时间窗。

3D-PACT 平台通过 1064 nm 激光穿透胸壁，实现大鼠心脏无创三维成像，显示心肌厚度、室壁运动及血流速度。

动脉粥样硬化：

超声测量斑块厚度与纤维帽完整性，光声通过脂质特异性波长（1210 nm）识别斑块内脂质核心，结合弹性成像评估易损性。

2. 肿瘤转移与治疗评估

肿瘤微环境分析：

光声多光谱扫描区分肿瘤缺氧区（sO₂<50%）与正常组织，结合超声观察血管芽生，评估抗血管生成药物疗效（如贝伐珠单抗治疗后 48 小时 THb 降低）。

内窥探头进入大鼠消化道，监测肿瘤类器官在微重力培养下的血管网络形成与药物代谢响应。

转移灶追踪：

光声探测淋巴结内的血氧变化（转移灶 sO₂升高），结合超声定位肿大淋巴结，比传统病理分析提前 3-5 天发现转移。

3. 神经科学与脑功能成像

中风模型评估：

超声识别脑血管闭塞（如大脑中动脉栓塞），光声实时监测缺血核心区 sO₂<20% 和半暗带范围，指导溶栓治疗。

光纤内窥镜结合双波长激发，区分脑出血灶的新鲜出血（脱氧血红蛋白为主，sO₂低）与陈旧性出血（氧合血红蛋白为主，sO₂高）。

脑功能分区研究：

在大鼠视觉皮层研究中，光声通过血氧响应（类似 fMRI）绘制功能分区图谱，分辨率达 50 μm，结合超声定位脑区边界。

4. 代谢疾病与器官功能监测

糖尿病血管病变：

超声评估视网膜血管直径，光声量化毛细血管密度（THb 下降）和组织氧合（sO₂降低），早期发现糖尿病视网膜病变。

肾脏成像中，光声监测肾皮质血氧变化（肾功能下降导致 sO₂异常），结合超声观察肾小球肥大。

脂肪肝研究：

超声通过回声强度判断脂肪肝程度，光声利用脂质吸收差异（930 nm）量化肝内脂肪含量，结合血氧分析评估炎症活动度。

四、技术挑战与未来趋势

1. 当前技术瓶颈

探头微型化与性能平衡：更小的探头（如 < 1 mm）可能导致灵敏度下降，需通过透明换能器材料（如 PIN-PMN-PT 单晶）和光纤集成设计优化。

深层组织穿透与信号衰减：颅骨、肋骨等结构对光声信号的衰减需通过自适应光学（如微泡导星校正）和多波长激发（如近红外二区）突破。

运动伪影与数据同步：心跳、呼吸等生理运动需结合多模态门控技术（如 ECG + 呼吸监测）和深度学习去噪（如 GAN 模型）提升图像质量。

2. 未来发展方向

AI 驱动的智能成像：

实时分析与预测：如 OneTouch-PAT 系统通过 AI 处理光声 - 超声数据，1 分钟内生成肿瘤 3D 图像，清晰度提升 3 倍，支持药物疗效早期预测。

自动化与高通量：结合多孔板平台，实现多组大鼠 / 类器官的并行成像，通过机器学习模型筛选有效药物。

分子靶向与诊疗一体化：

多功能探针：如 CRGD 靶向微泡（CRGD-ICG/PTX-NBs）同时实现成像（ICG 示踪）药物释放，诊断治疗协同增效。

可激活探针：pH / 酶响应型探针在肿瘤微环境中释放光声信号，减少背景干扰，提升分子特异性。

临床转化与恶劣环境应用：

术中导航原型：如 ePAUS-TU 系统在猪食道中的成功验证，未来可扩展至大鼠的临床前研究，支持消化道肿瘤的微创诊断。

太空生物学研究：开发耐辐射的小型化探头，用于太空舱内大鼠的实时成像，监测微重力对心血管和神经系统的影响。

五、典型系统案例与性能对比

系统名称探头直径分辨率（横向 / 轴向）成像深度帧率核心技术亮点应用场景

ePAUS-TU（浦项科技大学）1.8 mm91 μm / 70 μm12 mm367 fps透明TUT），同轴光声 - 超声大鼠直肠、猪食道的 3D 成像

3D-PACT（浙江大学）非内窥200 μm30 mm10 秒 / 次心电图门控，大超声孔径大鼠心脏无创 3D 成像

Vevo LAZR-X（Fujifilm）2.5 mm45 μm / 30 μm15 mm1000 fps近红外二区激光，3D 实时重建大鼠肿瘤、心血管研究

光纤光声内窥镜（暨南大学）2.75 mm12.5 μm10 mm1 Hz 旋转光纤超声传感器，双波长激发大鼠肠道微循环监测

六、总结

大鼠内窥光声超声采集3D成像系统通过光声与超声的协同，实现了体内深层组织的高分辨率结构 - 功能同步成像，在肿瘤、心血管、神经科学等领域展现出优势。其核心价值在于多参数实时监测（如血氧、血流、分子探针分布）和动态三维重建，为疾病机制解析、药物研发和治疗评估提供了精准工具。随着探头微型化、AI 算法优化和分子探针技术的发展，该系统将在临床前研究中发挥更关键作用，并加速向临床转化。