傳統光學成像（如共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡）雖能提供高分辨率的細胞與分子細節，但受限于光在生物組織中的散射與吸收，穿透深度通常不足 1 毫米，難以觀察深層組織（如腫瘤內部、腦皮層下區域）的生理活動。而活體光聲成像技術通過 “光吸收 - 聲波轉換” 的獨特機制，結合光學的高對比度與超聲的深穿透優勢，實現了 “毫米至厘米級穿透” 與 “細胞 / 分子級分辨率” 的協同，既能 “看見” 深層組織的結構形態，又能 “捕捉” 動態功能信息，成為破解活體深層生物過程觀測難題的核心工具。
一、技術原理：光與聲的 “協同成像” 邏輯
活體光聲成像的核心是光聲效應：當脈沖激光（通常為近紅外波段）照射活體組織時，組織中的光吸收體（如血紅蛋白、黑色素、外源造影劑）吸收光子能量后迅速轉化為熱能，引發局部微小體積膨脹，產生微弱的超聲信號（即 “光聲信號”）。這些信號被高靈敏度超聲探測器捕獲后，通過專用圖像重建算法（如反投影算法、壓縮感知算法）轉化為組織內部的光吸收分布圖像，最終呈現出深層組織的結構與功能信息。
其技術系統主要包含三大核心組件：
1.脈沖激光光源：多采用近紅外光（700~1300 nm），該波段被生物組織（如皮膚、脂肪）吸收少、散射弱，可顯著提升穿透深度；部分系統配備可調諧激光，能針對不同光吸收體（如氧合血紅蛋白、去氧血紅蛋白）選擇特異性波長。
2.超聲探測陣列：通常為線性或環形陣列探測器，可快速采集不同角度的光聲信號，兼顧成像速度（最快可達實時動態成像）與空間分辨率（深層組織中仍可達 50~100 μm）。
3.圖像重建與分析模塊：通過 AI 優化的重建算法，減少信號噪聲與偽影，同時可對圖像進行定量分析，如計算組織的血氧飽和度（基于氧合 / 去氧血紅蛋白的光吸收差異）、造影劑濃度等功能參數。
二、核心優勢：為何能 “穿透更深，看見更多”
相比傳統光學成像與純超聲成像，活體光聲成像的優勢集中在 “穿透深度” 與 “信息維度” 兩大維度，完美契合活體生物醫學研究的核心需求。
1. 穿透更深：突破光學成像的深度瓶頸
傳統共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡的有效穿透深度通常僅為 100~500 μm，難以觸及皮下深層組織或器官內部；而活體光聲成像借助近紅外光與超聲的協同，穿透深度可達2~10 厘米（依組織類型而異）：例如在皮膚組織中可穿透 5~8 厘米，在乳腺組織中可穿透 3~5 厘米，在腦組織中（結合開窗技術）可觀察到皮層下 2~3 毫米的微血管網絡。這種深度優勢使其能直接觀察活體動物的腫瘤內部血管、肝臟微循環、腦深部神經活動等傳統技術無法觸及的場景。
2. 看見更多：實現多維度、多參數成像
光聲成像不僅能呈現深層組織的結構形態，還能同步獲取功能與分子水平的信息，實現 “結構 - 功能 - 分子” 的多維度成像：
結構成像：清晰顯示組織的解剖結構，如腫瘤的邊界、血管的分支形態、器官的細微結構（如腎臟腎小球），分辨率優于傳統超聲成像。
功能成像：通過分析血紅蛋白的光吸收特性，定量計算組織的血氧飽和度（sO?）、血流速度等參數，實時監測組織的代謝狀態（如腫瘤缺氧區域的動態變化、腦活動時局部血流的快速響應）。
分子成像：通過注射靶向性光聲造影劑（如偶聯腫瘤特異性抗體的納米顆粒、熒光素標記的肽段），可特異性識別深層組織中的分子靶點（如腫瘤表面的 EGFR 蛋白、血管內皮的 CD31 分子），實現早期腫瘤、微小轉移灶的精準定位。
三、應用場景：從基礎研究到臨床轉化的落地
活體光聲成像的技術優勢已在生物醫學多個領域落地應用，成為連接基礎研究與臨床診斷的關鍵工具。
1. 腫瘤研究與精準診療
在腫瘤領域，光聲成像可實現 “早期檢測 - 治療監測 - 療效評估” 的全流程應用：
早期檢測：利用腫瘤血管的異常增生特性，通過光聲血管成像可在腫瘤直徑小于 1 毫米時發現病灶，比傳統 CT、MRI 更早捕捉到腫瘤信號；
治療監測：在腫瘤放療、化療過程中，實時監測腫瘤內部的血氧變化（如化療后腫瘤缺氧區域縮小、血流恢復），評估治療響應；
靶向治療指導：通過分子光聲成像定位腫瘤的靶點分布，指導靶向藥物的精準注射，避免藥物浪費與副作用。
2. 神經科學研究
在腦科學領域，光聲成像可無創監測活體動物的腦血流動態與神經活動：
利用近紅外光穿透顱骨的特性（需薄化顱骨或使用開窗裝置），觀察腦皮層下區域（如海馬體、丘腦）的微血管血流變化，研究學習記憶過程中腦區的血流響應；
結合鈣離子敏感型光聲造影劑，可間接監測神經細胞的活性，捕捉神經沖動引發的局部代謝變化，為理解神經環路的功能提供新視角。
3. 心血管與代謝疾病研究
在心血管領域，光聲成像可清晰顯示血管的結構與功能異常：
監測動脈粥樣硬化斑塊的形成過程，通過分析斑塊內的脂質成分（如膽固醇的光吸收特性）與血管壁的炎癥狀態，評估斑塊的穩定性；
在糖尿病研究中，實時觀察糖尿病小鼠視網膜血管的病變（如血管滲漏、毛細血管閉塞），評估降糖藥物對微循環的改善效果。
4. 臨床轉化探索
目前，光聲成像已進入臨床前研究與早期臨床探索階段：
皮膚疾病：用于銀屑病、黑色素瘤的診斷，清晰顯示皮膚深層的血管異常與黑色素分布；
乳腺成像：結合乳腺超聲的現有設備，開發光聲 - 超聲雙模乳腺成像系統，提升早期乳腺癌的檢出率，尤其對致密型乳腺組織的診斷優勢顯著；
內鏡成像：開發光聲內鏡探頭，用于消化道、呼吸道的深層病變檢測，如早期胃癌、肺癌的黏膜下病灶識別。
四、挑戰與未來方向
盡管活體光聲成像已取得顯著突破，仍面臨技術瓶頸需進一步突破：
1.空間分辨率與穿透深度的平衡：當前技術下，穿透深度增加會導致分辨率下降，需通過新型激光光源（如超短脈沖激光）、高靈敏度探測器與 AI 重建算法優化，實現 “深穿透” 與 “高分辨率” 的協同；
2.運動偽影抑制：活體呼吸、心跳等運動易導致光聲信號失真，需開發實時運動補償算法，提升動態成像的穩定性；
3.臨床造影劑開發：現有分子造影劑的生物安全性、靶向效率仍需提升，需研發可降解、低毒性的新型造影劑，推動臨床轉化。
未來，活體光聲成像將向 “多模態融合”“智能化” 方向發展：一方面，與 MRI、PET 等成像技術結合，實現 “光聲 - MRI”“光聲 - PET” 雙模成像，互補優勢（如光聲的高分辨率 + PET 的高靈敏度）；另一方面，通過 AI 算法自動識別病灶、量化功能參數，實現 “成像 - 分析 - 診斷” 的自動化，加速臨床應用落地。
總結
活體光聲成像通過 “光聲協同” 的獨特機制，突破了傳統光學成像的深度瓶頸，實現了深層組織的多維度成像，為生物醫學研究提供了 “穿透更深、看見更多” 的觀測工具。從腫瘤早期檢測到神經活動監測，從基礎研究到臨床轉化，其應用價值正不斷拓展。隨著技術的持續優化，活體光聲成像有望成為未來精準醫學領域的核心成像技術之一，為疾病診斷與治療帶來革命性突破。
