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Endra Nexus128小动物光声成像系统介绍

2020.7.13

系统简介

     光声技术的原理：当一束光照射到生物组织上，生物组织吸收光能量而产生热膨胀，伴随着热膨胀会产生超声波，吸收光能量的多少决定了产生的超声波的强度。于是不同的组织就会产生不同强度的超声波，可以用来区分正常组织和病变组织。光声成像技术检测的是超声信号（该技术克服了纯光学成像技术在成像深度与分辨率上不可兼得的不足），反映的是光能量吸收的差异（补充纯超声成像技术在对比度和功能性方面的缺陷），结合光学和超声这两种成像技术各自的优点，能实现对组织体较大深度的高分辨率、高对比度的功能成像。
     小动物光声成像是一种在生物医学基础研究和疾病相关的应用研究中都具有广阔前景的新技术。以动物模型为对象的生物医学研究可以避免在人身上进行实验带来的风险，克服某些疾病潜伏期长、病程长的缺点，并且可以严格控制动物实验条件、减少个体差异的影响影像学的手段，是目前动物模型研究中不可或缺的工具之一。
     光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。该系统的购置充分考虑了科学研究和实际应用的需求，可针对小动物活体进行心血管疾病（血管生成、心肌炎、血栓、心梗等）、淋巴、肿瘤、神经系统、血液病、新型分子探针、血红蛋白浓度和血氧饱和度测量和功能影像等方面的前沿性研究，将进一步提升科研单位在该领域的研究水平和地位。
     光声成像是衡量综合性大学中生命科学、基础医学和化学等领域科研水平和科研工作深度的标志性先进分子成像研究仪器，目前开始在国内发展，正在成为教学、科研和重点学科、重点实验室建设不可或缺的分析测试研究手段。
     该仪器专用于小动物的分子影像学研究，光声技术具有比近红外技术更好的生物组织穿透性,同时还具有分辨率高、无副作用等特点,并正逐步成为生物组织无损检测技术领域的另一研究热点。

应用领域

心血管研究：对小动物活体进行心血管疾病（血管生成/生长、心肌炎、血栓、心梗等）的深入研究，提供血红蛋白浓度和血氧饱和度的定量数据。如肿瘤血管成像。光声成像技术可以为肿瘤早期检测提供高对比度高分辨率的图像, 还可对肿瘤的治疗过程以及疗效进行监测。肿瘤的快速生长离不开丰富的血管系统，研究表明肿瘤与血管新生有着密不可分的联系。检测血管的生成情况可为抗血管生成药物的研制，肿瘤治病机制的研究，以及肿瘤模型的建立等提供检测手段。

图为异型移植肿瘤的小鼠体内肿瘤血管系统成像，从不同的角度可以清晰的看出血管直径的变化，血管扭曲，潜在的血流库，血管分流等。

     药物代谢研究：利用分子影像学技术，实时监测标记药物在动物体内的运动情况，从而判断该药物是否能够准确到达靶区和代谢途径，以及治疗效果评测。
     疾病早期诊断：用分子影像学可对分子水平的病变进行检测，遭遇以病理改变为评判基础疾病诊断，实现疾病早期诊断。
    肿瘤疗效的观察和研究：直接快速地测量和跟踪各种癌症模型中肿瘤的生长和转移,并可对癌症治疗中血红蛋白浓度和血氧饱和度的变化进行实时观测和评估。
     基因表达：在活体动物体内观察和研究基因的表达, 细胞或组织特异性, 及其对外界的反应。
     干细胞及免疫研究:实时观测活体动物体内干细胞治疗效果,并用于抗肿瘤免疫治疗。
    小动物模型：对细胞、基因等进行标记，研究活体状态下药物治疗效果，如肿瘤、心血管等各种疾病的治疗。
     以及其它领域的应用：如分子光学、免疫学、核医学、骨研究等。

应用举例

1. 光学造影剂应用

我们人体内有许多的成分都是内源性造影剂，例如血红蛋白就是一个很好的内源性造影剂，而携带了氧的血红蛋白在另外的波长会有较大的吸收，所以根据这个原理光声就可以测量血红蛋白浓度和血氧饱和度。体内的软组织、肿瘤内的新生血管也是良好的造影剂，肿瘤的血管新生其原理也是基于血管活动十分活跃，因此含有的血红蛋白浓度高于肿瘤内部结构，基于血红蛋白检测的光声波长就可以实施肿瘤血管新生的分析。

外源性的造影剂，只要其吸收波长在680nm~950nm之间，都可以用光声成像系统来实施检测，例如常用的ICG、几乎所有的纳米材料等，都能在光声系统中产生很好的检测信号。

2. 纳米材料(新型造影剂)中的应用

纳米材料由于其均一的分散性和纳米级粒度而导致其在近红外有较好的光收，这也是光声成像的基础。Endra Nexus 128由于其激发波长是处于680-950纳米，因此所有纳米材料包括碳纳米管(carbon nanotubes)、金纳米棒(gold nanorods)、金纳米笼(gold nanocages)和金纳米球(gold nanospheres)都可以在这个波长内有相应的光吸收，这对于新型纳米探针研究十分有益。

由于Endra Nexus 128光声系统具有非侵入性探测的特点，同时也因为它是真正的3-D成像，因此非常适合于对实验动物的连续观察。在探针被注入实验动物体内后，可以间断性地来扫描实验动物，从而得到探针在体内被摄入、吸收、清除的动态信息。

3. 肿瘤学中应用

-----肿瘤形态学

光声由于其具有的高分辨率，因此可以在肿瘤形态学研究中发挥自己独特的优势。同时又由于光声检测是一种非侵入性、无损的检测方式，因此对于实验材料来讲是没有任何危害的，因此对于研究结果的解释更加科学合理。

---- 肿瘤灌注

由于肿瘤外周和内部结构不同，因此会造成这两个不同区域对于造影剂的吸收产生不同的行为。肿瘤外周灌注通常是吸收较快，因为那里有较多的血管新生，代谢旺盛，因而清除速度也快，曲线呈现快升快降模式；相反，肿瘤内部由于代谢较慢，灌注呈现慢升慢降模式，且总体信号峰值大大低于肿瘤外周信号。这可以用于肿瘤状态测定，如果这两个峰值在时间上逐渐靠近，说明肿瘤得到了抑制，向预后良好方向发展，反之表明肿瘤恶化。