活體小鼠腦部光聲多模態(tài)實時采集通過整合光聲成像、超聲成像及超分辨率算法，結(jié)合光纖負聚焦超聲探測器或超快功能性光聲顯微鏡等創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)了對腦部血流動力學(xué)、氧飽和度及結(jié)構(gòu)信息的高時空分辨率三維成像，其具體過程及關(guān)鍵技術(shù)如下：
一、技術(shù)原理與系統(tǒng)構(gòu)成
1.光聲成像（PA）
利用脈沖激光（如532nm、1064nm）照射小鼠腦組織，內(nèi)源性物質(zhì)（血紅蛋白、黑色素）吸收光能后產(chǎn)生熱膨脹，釋放超聲波。通過探測超聲波并重建圖像，可反映血流、血氧飽和度等功能信息。
多波長激發(fā)：如532nm靶向氧合血紅蛋白，900nm增強組織穿透，實現(xiàn)快速功能性腦成像。
2.超聲成像（US）
通過高頻超聲波（10-100MHz）探測組織密度差異，重建腦部結(jié)構(gòu)（如血管壁、器官輪廓），穿透深度可達厘米級，提供結(jié)構(gòu)背景信息。
3.超分辨率算法
突破光學(xué)衍射極限，將分辨率提升至10-200nm，可分辨毛細血管分支、細胞級結(jié)構(gòu)。
深度學(xué)習(xí)增強：通過U-Net、Transformer等模型減少噪聲，優(yōu)化深層組織分辨率。
4.光纖負聚焦超聲探測器
利用光纖柔性特性，彎曲形成負聚焦超聲探測器，接收角擴展至120°，最小可探測聲壓低至5.4 Pa，實現(xiàn)無創(chuàng)全腦高分辨成像。
二、實時采集過程
1.術(shù)前準備
麻醉與固定：使用異氟烷麻醉小鼠，固定于立體定位儀，調(diào)整頭部與儀器平面垂直。
顱骨處理：沿頭頂中線切開頭皮，剝離骨膜，暴露顱骨，鉆孔（直徑約2mm）避開主要血管和腦組織。
2.成像系統(tǒng)設(shè)置
超快功能性光聲顯微鏡（UFF-PAM）：
采用雙波長激光（532nm、558nm）激發(fā)，水浸式12面多邊形掃描儀實現(xiàn)快速三維成像（視場11×7.5×1.5 mm3，頻率2 Hz，空間分辨率約10 μm）。
實時捕捉腦皮層血管收縮、舒張及氧飽和度變化，同步監(jiān)測擴散性抑制（SD）波傳播。
光纖負聚焦超聲探測器：
通過彎曲光纖結(jié)合合成孔徑算法，將超聲接收角擴展至120°，成像深度超過7 mm，空間分辨率達130 μm。
構(gòu)建線性掃描光聲層析成像系統(tǒng)，實現(xiàn)無創(chuàng)全腦成像及腦內(nèi)血栓可視化。
3.多模態(tài)數(shù)據(jù)采集
同步采集：光聲信號反映血流動力學(xué)，超聲信號重建腦部結(jié)構(gòu)，通過坐標校準消除系統(tǒng)誤差。
三維重建：通過機械掃描或陣列式探測器采集多角度信號，經(jīng)反投影或傅里葉變換算法生成立體圖像，呈現(xiàn)腦部空間分布。
動態(tài)監(jiān)測：實時追蹤腦缺血-再灌注、腫瘤血管新生等過程，量化腫瘤體積變化或血管網(wǎng)絡(luò)分布密度。
4.數(shù)據(jù)處理與分析
深度學(xué)習(xí)上采樣：應(yīng)用改進版全密集U-net模型對欠采樣圖像進行上采樣，重建血管連續(xù)性，消除偽影，提高圖像質(zhì)量。
特征提?。和ㄟ^主成分分析、聚類算法區(qū)分神經(jīng)元放電信號與噪音，量化神經(jīng)電活動與行為關(guān)聯(lián)。
量化評估：計算血氧飽和度、血流速度、血管直徑等參數(shù)，評估腦缺氧模型或藥物療效。
三、關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢
1.高時空分辨率：UFF-PAM系統(tǒng)實現(xiàn)微血管水平（10 μm）的實時三維成像（2 Hz），光纖負聚焦探測器突破傳統(tǒng)超聲接收角限制，提升深層組織分辨率。
2.多模態(tài)融合：光聲（功能）+超聲（結(jié)構(gòu)）+熒光（分子）三模態(tài)同步采集，提供解剖、功能及分子信息，適用于腫瘤早期診斷與療效評估。
3.無創(chuàng)動態(tài)監(jiān)測：無需注射造影劑，利用內(nèi)源性物質(zhì)成像，適合長期觀察（如腫瘤生長、血管發(fā)育）。
4.智能化分析：AI自動識別腫瘤邊界、計數(shù)血管分支、預(yù)測疾病進展（如腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險），提升臨床轉(zhuǎn)化效率。
四、應(yīng)用場景
1.腦功能研究：監(jiān)測腦缺血-再灌注、癲癇發(fā)作等過程中的血流動力學(xué)變化，定位SD波起源并跟蹤傳播模式。
2.腫瘤學(xué)：無創(chuàng)觀察皮下腫瘤或原位肝癌的血管生成動態(tài)，評估抗血管生成藥物療效。
3.神經(jīng)科學(xué)：結(jié)合顱窗技術(shù)，顯示皮層微血管分支細節(jié)，追蹤納米藥物在腦內(nèi)的分布。
4.藥物研發(fā)：量化藥物載體靶向分布與代謝，驗證基因編輯效果（如血管通透性變化）。
總結(jié)
活體小鼠腦部光聲多模態(tài)實時采集通過光聲（功能血流）、超聲（結(jié)構(gòu)）及超分辨率算法融合，利用超快顯微鏡或光纖探測器實現(xiàn)高分辨三維成像，同步捕捉腦部動態(tài)變化，結(jié)合AI分析血氧、血管等參數(shù)，助力腦病研究與藥物評估。
