【摘要】 该系统包括两个子系统:FLI子系统和PAI子系统。

小动物模型，特别是啮齿动物模型，在生命科学和临床前研究中发挥着重要作用。许多非侵入性成像技术已经被开发用于小动物的研究。在各种成像方法中，活体动物荧光成像(FLI)由于其优越的优势而被广泛应用，包括非侵入性和非电离机制，高灵敏度和特异性，丰富的分子示踪剂，以及大视场实时成像。然而，强烈的组织光散射极大地限制了FLI在深层组织中的图像分辨率。在过去的十年中，光声成像(PAI)独特地结合了光学吸收对比度和超声波检测，成为在前所未有的深度下高分辨率活体动物成像的强大方法。

 

除了在血管结构和功能成像方面的优势，更多的PA造影剂和分子示踪剂正在被深入研究。值得注意的是，这些药物大多数是不良荧光团[18]。因此，基于不同的成像对比度、成像深度和空间分辨率，PAI和FLI可以相互提供重要的互补信息。因此，探讨PAI与FLI的整合对于活体动物研究具有重要的价值。一些研究报道了他们将PAI结果和FLI结果结合起来用于小动物研究的努力。这些集成系统或者以连续的方式执行PAI和FLI，或者需要较长的时间来完成双模态成像，这适合于监测相对缓慢的变化。然而，PAI和FLI的实时同步也很重要。这是因为不仅由于心脏跳动和呼吸引起的身体运动可能会影响这两种方式的空间配准，而且还有短暂的生理过程，如静脉注射药物或肾脏灌注，所有这些都需要实时同步成像。本文报道了一种实时的PA-FL双模态成像方法，该方法采用超声阵列提供实时的PAI二维(2D)成像，并通过PAI系统中的光学窗口获取同时的全身FLI。我们成功地对小鼠进行了体内实时成像，不仅通过FLI显示了荧光染料在全身的灌注和代谢，而且通过PAI显示了前所未有的深度和分辨率。我们的研究结果表明，该系统在小动物研究中具有巨大的潜力，包括药物输送，动态代谢分子示踪，以及监测其他快速生理或病理过程。

 

双模态成像系统

该系统包括两个子系统:FLI子系统和PAI子系统。如图1所示，PAI系统具有定制的256元件半环超声变换器阵列(由中国ULSO技术公司生产)，中心频率为5.0兆赫，单向带宽为80%。半圆环的直径为100毫米，每个阵列元件都以40毫米的焦距沿垂直方向以圆柱形聚焦。为了最大化信噪比(SNR)，自行开发的256通道前置放大器(40分贝增益)直接连接到超声变换器阵列。然后，256通道数据采集(DAQ)仪器(马绍尔公司:DAQ，中国青岛科技股份有限公司，6dB增益)以40MHz的取样并行接收放大的PA信号。功率放大器的信号由一个重复频率为10赫兹的光参量振荡器脉冲激光器激发。激光器被耦合成一个1到10个纤维束，每个分支末端都有一个1×7mm的矩形。分支末端均匀地分布在成像目标周围，成形呈近乎均匀的圆形照明，如图1所示。水槽被用于向半环耦合发送超声波(美国)信号，在检验器成像过程中，动物的头部从水中伸出，连接到防毒面具，将其浸入水中。

 

图1双模成像系统（a）系统的三维示意图；（b）光路和声路示意图

 

为了同时进行全身荧光探测，水槽在美国阵列的相反方向有一个光学透明窗口，允许荧光探测和激励探测，如图1所示。一个1到2的纤维束通过光学窗口的照明来激发荧光信号，发射的荧光信号通过倾斜镜(45度)反射到荧光相机(日本滨松闪光4.0)。在相机镜头前安装一个荧光滤镜。在随后的实验中，用785nm连续激光(CNIMDL-III-785，China)来激发FL信号。

 

为了同步PAI和FLI，当OPO激光器发射激光脉冲时，光电探测器(ThorlabDET100A2)检测激光脉冲并向DAQ和FL相机产生同步触发信号以获取数据。为了避免可能的光子从强脉冲激光进入相机，我们设置了10毫秒的延迟时间，相机开始曝光。相机曝光时间设置为70毫秒在成像过程中，小动物被垂直固定在一个动物支架上进入水槽。水温保持在36°C，电平动阶段可以上下移动动物体，在任意体切片上获得光声图像。在活体实验中，用1.5%的异氟烷汽化气体覆盖动物的鼻子。

 

活体光声成像

为了验证PAI的成像性能，我们使用1064nm激光来激发PA信号。使用something20g裸Balb/C小鼠，其躯干直径约为16mm。照射到体表的总能量为36mJ，计算流量为12mJ/cm2，远低于ANSI安全限度(100mJ/cm2,1064nm)。图2显示两个横断面(B扫描)PA成像结果，清楚显示该小鼠的多个器官和组织的结构，包括腹主动脉，肠道，下腔静脉，左肾和肾脏，肝脏，门静脉，脊髓，脾脏和胃的左右叶。除了原始的重建结果，我们还展示了弗兰基血管过滤后的结果，以增强血管网络的显示。从成像结果可以看出，我们的半环PAI系统对小动物体具有良好的成像能力。

 

图2鼠体光声成像 (a)小鼠肝脏的PA重建成像；(b)弗兰基血管过滤后小鼠肝脏的光声成像；(c)小鼠肾脏的光声重建成像；(d)弗兰基血管过滤后小鼠肾脏的光声成像；AA，腹主动脉；In，肠道；IVC，下腔静脉；LK，左肾；LLV，肝左叶；PV，门静脉；RK，右肾；RLV，肝右叶；SC，脊髓；SP，脾；St，胃

 

讨论和结论

在这项工作中，我们开发了一个实时PA-FL双模态成像系统，采用半环超声阵列，使实时二维PAI，结合全身FLI通过光学窗口。这种新型成像系统成功地实现了荧光染料在小鼠体内灌注和代谢过程的实时成像。该系统综合了FLI和PAI的优点，其中FLI具有实时大视场全身覆盖和高灵敏度，PAI在深部组织成像中提供高分辨率并提供组织结构信息。双模式荧光和光声系统的实时同步成像能力为小动物研究和临床前研究开辟了新的途径，例如监测全身动态药物输送，追踪由双模式分子示踪剂标记的癌细胞，研究中枢和外周神经系统的神经血管耦合。

 

1.Yu Sun, Yibing Wang, Wenzhao Li, Changhui Li, Real-time dual-modal photoacoustic and fluorescence small animal imaging, Photoacoustics, Volume 36, 2024, 100593, ISSN 2213-5979, https://doi.org/10.1016/j.pacs.2024.100593.

 

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