大鼠內窺光聲超聲采集3D成像系統是一種結合光聲（PA）與超聲（US）技術的多模態成像平臺，專為大鼠等中小型實驗動物設計，通過微型化探頭實現體內深層組織的高分辨率結構與功能同步成像。以下是其技術原理、核心組件、應用場景及最新進展的詳細解析：

一、技術原理與系統架構

1. 光聲與超聲協同成像機制

光聲成像：利用脈沖激光（如近紅外一區 680-970 nm 或二區 1200-2000 nm）激發組織內的生色團（如血紅蛋白、黑色素或外源性探針），產生熱彈性膨脹并釋放超聲波。通過檢測聲波信號，經算法重建出組織的光學吸收分布，實現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）發射聲波并接收反射信號，生成高分辨率結構圖像（如血管直徑、組織邊界）。光聲與超聲信號同步采集，實現結構 - 功能數據的精準共定位。

2. 核心硬件設計

微型化內

透明（TUT）：如浦項科技大學開發的 ePAUS-TU 系統，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：如暨南大學的光纖光聲內窺鏡，內部包含兩根光纖（激光激發與超聲探測），直徑 2.75 mm，橫向分辨率 12.5 μm，通過 360° 螺旋掃描實現腸道血管的三維重建。

多模態成像模塊：

光聲模塊：配備脈沖可調激光器（如 Nd:YAG 倍頻激光器），支持多波長激發（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：

心電圖（ECG）門控：在心臟成像中，通過 ECG 信號觸發數據采集，減少心跳運動偽影。例如，3D-PACT 平臺通過 ECG 同步實現大鼠心臟 10 秒內的快速掃描，清晰顯示心肌結構與血流動力學。

螺旋掃描與電機控制：如光纖內窺鏡通過線性電機與旋轉電機配合，實現連續 3D 數據采集，掃描速度達 1 Hz 旋轉頻率。

二、關鍵技術參數與性能突破

1. 分辨率與成像深度

結構分辨率：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）的代謝狀態分析。

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

2. 數據采集與處理效率

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

AI 驅動優化：

圖像分割與增強：基于 nnU-Net 的深度學習模型自動分割血管、腫瘤等結構，Dice 相似系數 > 0.9。

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

三、典型應用場景

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 sO?驟降（<30%）和半暗帶范圍（sO? 20%-40%），指導溶栓治療時間窗。

3D-PACT 平臺通過 1064 nm 激光穿透胸壁，實現大鼠心臟無創三維成像，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，光聲通過脂質特異性波長（1210 nm）識別斑塊內脂質核心，結合彈性成像評估易損性。

2. 腫瘤轉移與治療評估

腫瘤微環境分析：

光聲多光譜掃描區分腫瘤缺氧區（sO?<50%）與正常組織，結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）。

內窺探頭進入大鼠消化道，監測腫瘤類器官在微重力培養下的血管網絡形成與藥物代謝響應。

轉移灶追蹤：

光聲探測淋巴結內的血氧變化（轉移灶 sO?升高），結合超聲定位腫大淋巴結，比傳統病理分析提前 3-5 天發現轉移。

3. 神經科學與腦功能成像

中風模型評估：

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

光纖內窺鏡結合雙波長激發，區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）。

腦功能分區研究：

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

4. 代謝疾病與器官功能監測

糖尿病血管病變：

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

腎臟成像中，光聲監測腎皮質血氧變化（腎功能下降導致 sO?異常），結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，光聲利用脂質吸收差異（930 nm）量化肝內脂肪含量，結合血氧分析評估炎癥活動度。

四、技術挑戰與未來趨勢

1. 當前技術瓶頸

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

深層組織穿透與信號衰減：顱骨、肋骨等結構對光聲信號的衰減需通過自適應光學（如微泡導星校正）和多波長激發（如近紅外二區）突破。

運動偽影與數據同步：心跳、呼吸等生理運動需結合多模態門控技術（如 ECG + 呼吸監測）和深度學習去噪（如 GAN 模型）提升圖像質量。

2. 未來發展方向

AI 驅動的智能成像：

實時分析與預測：如 OneTouch-PAT 系統通過 AI 處理光聲 - 超聲數據，1 分鐘內生成腫瘤 3D 圖像，清晰度提升 3 倍，支持藥物療效早期預測。

自動化與高通量：結合多孔板平臺，實現多組大鼠 / 類器官的并行成像，通過機器學習模型篩選有效藥物。

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）同時實現成像（ICG 示蹤）藥物釋放，診斷治療協同增效。

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

臨床轉化與惡劣環境應用：

術中導航原型：如 ePAUS-TU 系統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診斷。

太空生物學研究：開發耐輻射的小型化探頭，用于太空艙內大鼠的實時成像，監測微重力對心血管和神經系統的影響。

五、典型系統案例與性能對比

系統名稱探頭直徑分辨率（橫向 / 軸向）成像深度幀率核心技術亮點應用場景

ePAUS-TU（浦項科技大學）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）非內窺200 μm30 mm10 秒 / 次心電圖門控，大超聲孔徑大鼠心臟無創 3D 成像

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

光纖光聲內窺鏡（暨南大學）2.75 mm12.5 μm10 mm1 Hz 旋轉光纖超聲傳感器，雙波長激發大鼠腸道微循環監測

六、總結

大鼠內窺光聲超聲采集3D成像系統通過光聲與超聲的協同，實現了體內深層組織的高分辨率結構 - 功能同步成像，在腫瘤、心血管、神經科學等領域展現出優勢。其核心價值在于多參數實時監測（如血氧、血流、分子探針分布）和動態三維重建，為疾病機制解析、藥物研發和治療評估提供了精準工具。隨著探頭微型化、AI 算法優化和分子探針技術的發展，該系統將在臨床前研究中發揮更關鍵作用，并加速向臨床轉化。