光聲原理基于光聲效應，當生物組織中的生色基團（如內源的血紅蛋白、黑色素，或外源的染料、納米粒子等）吸收特定波長的脈沖激光能量后，轉化為熱能使組織發(fā)生熱彈性膨脹，進而發(fā)射超聲波。超聲探頭接收這些超聲波信號，經(jīng)過檢測處理后可實現(xiàn)超聲和光聲圖像的共定位，從而得到光聲圖像。

光聲成像的造影劑兩種分類內源和外源：?

· ?內源性造影劑?：以血紅蛋白（含氧合/脫氧兩種形態(tài)）及黑色素為代表，依賴生物體自身光學吸收特性；

· ?外源性造影劑?：包括有機染料（如吲哚菁綠）、熒光探針（如近紅外二區(qū)分子）及貴金屬納米顆粒（如金納米棒）等人工合成材料，通過靶向修飾增強特定波段的吸收選擇性。

可實現(xiàn)近紅外一區(qū)（680—970nm）和近紅外二區(qū)（1200—2000nm）的光聲成像，能對生物組織中的多種生色基團進行成像，提供組織的功能信息，如血氧飽和度、血紅蛋白含量測定和光譜分析等。

1. 體外及體內評價（參考文獻：Adv. Sci. 2021, 8, 2101242 ）

圖2. 不同濃度的5-Fu-Si NSs在808nm激光下的光聲信號強度對比b）（a）。

圖3. a）靜脈注射Si-NSs和5-Fu-Si-NSs后不同時間點腫瘤的體內PA圖像。b）不同時間點腫瘤內的PA強度。c）不同時間點腫瘤內的SaO2強度。d）不同時間點腫瘤內的HbT信號強度。

2. 腫瘤內血氧飽和度（參考文獻：Nano Lett. 2018 Oct 10;18(10):6360-6368.）

圖4. （b）注射后不同時間點（0h, 4h,24h）皮下腫瘤荷瘤小鼠模型的代表性光聲圖像。（c）圖為在整個腫瘤區(qū)域內平均血氧飽和度（sO2 Avr）的定量結果。

超聲探頭將電能轉換為超聲波，通過介質（如涂抹在小動物皮膚表面的耦合劑）將超聲波傳遞到小動物體內。超聲波在遇到兩種不同密度介質的交界面時發(fā)生反射，反射回的超聲波成為回聲，回聲由超聲探頭接收后，經(jīng)數(shù)模轉化形成最后的超聲圖像。

 圖5小鼠心臟左心室長軸切面

具備多種成像模式，包括灰階模式（用于結構性影像觀察）、運動模式（可研究心臟或血管壁運動）、彩色多普勒模式（能粗略檢測血流方向和速度）、脈沖多普勒模式（可精確測量血流速度和方向）、三維成像模式（實現(xiàn)腫瘤和其他組織結構的體積量化和測量）以及組織多普勒模式（用于分析心肌組織運動）等。

該系統(tǒng)具有多種應用模式，滿足不同研究需求：

其中，灰階模式和能量多普勒模式可借助3D馬達，進行二維斷層結構掃描，重建出三維立體的結構數(shù)據(jù)，隨之進行相應的測量和分析。

心血管疾病研究：可用于研究心肌梗塞、糖尿病心肌病、高血壓、主動脈瓣狹窄、血栓、動脈粥樣硬化等疾病，通過觀察心臟結構、血管形態(tài)以及血流動力學變化等，為心血管疾病的發(fā)病機制研究和治療方案評估提供依據(jù)。

腫瘤相關研究：在腫瘤微環(huán)境、腫瘤轉移、腫瘤新生血管等方面有重要應用?？梢詸z測腫瘤的生長、血管生成情況，評估腫瘤的惡性程度和治療效果，還可用于抗腫瘤藥物的篩選和研發(fā)。

神經(jīng)科學研究：有助于對神經(jīng)系統(tǒng)進行功能性評價，例如研究腦部血氧飽和度、總血紅蛋白檢測等，為神經(jīng)退行性疾病、腦損傷等研究提供技術支持。

新型功能納米材料研究：可用于研究納米材料在體內的分布、代謝和作用機制，評估納米材料的生物安全性和有效性，為新型納米材料的研發(fā)和應用提供指導。

高分辨率與高靈敏度：兼具光學成像的高靈敏性與超聲成像的高分辨率，能夠提供生物組織的詳細結構和功能信息，實現(xiàn)對微小病變和生理變化的精確檢測。

非侵入性和實時成像：采用非入侵式和非電離式的成像方式，對小動物進行實時成像，可在不損傷動物的前提下，動態(tài)觀察生物體內的生理和病理過程，為長期研究提供了可能。

多模態(tài)信息融合：將光聲成像和超聲成像相結合，同時獲取組織的功能、代謝和結構信息，通過圖像融合技術，更全面地了解生物體內的情況，提高診斷的準確性和可靠性。