光學活體成像通過在小動物體內植入熒光標記物，利用相對應的激發光使這些標記物發出熒光，實現對生物體內特定細胞或分子非侵入式的精確探測和定量；并通過對影像數據的深度挖掘和分析，深入研究動物模型中與疾病發生、發展相關的生物標志物，以獲得疾病的早期診斷和治療、評估藥物的療效和安全性的關鍵數據。
圖1小鼠結腸癌二維活體成像
銳視二維光學活體成像系統（IMAGING200）掃描成像結果
主要基于光學成像原理，通過特定的光源（如熒光、生物發光等）和高靈敏度的探測器，獲取小動物體內的三維圖像。其基本原理可以概括為以下幾點：
光源的選擇：常用的光源包括熒光染料、熒光蛋白、生物發光等。這些光源可以在特定波長下發出光信號，通過探測器捕捉這些信號，實現成像。
光的傳播與吸收：光在生物組織中的傳播會受到吸收和散射的影響。通過數學模型和算法，可以對這些影響進行校正，從而獲得準確的三維圖像。
多視角成像：為了獲得完整的三維信息，通常需要從多個角度對小動物進行成像。通過計算機算法將多張二維圖像合成三維模型。
光學活體成像需要在近紅外波段（NearInfrared，NIR）進行，因為這個波段的光子在生物體中的吸收較少，具有較好的組織穿透能力。光子在生物體中的吸收過程主要由生物組織中的色素所決定，在可見到近紅外波段，主要的吸收色素包括血紅蛋白（Hb）、氧合血紅蛋白（HbO?）以及水。首先，血紅蛋白和氧合血紅蛋白是血液中的重要成分：血紅蛋白是紅細胞內運輸氧的特殊蛋白質，而氧合血紅蛋白則是血紅蛋白與氧結合后的產物；這兩種色素在不同的波段有特定的吸收特性。其次，水作為生物體的主要成分，會吸收特定波長的光，其吸收特性與水分子的振動和轉動能級有關。光子與這些色素相互作用時，光子能量會被色素分子吸收，并轉化為分子的振動能或電子的激發能，這個過程會影響光在生物組織中的傳播。
圖2小鼠前列腺腫瘤三維活體成像
銳視三維光學活體成像系統（IMAGING200pro）掃描成像結果
衰減系數被用來表征物質對光子吸收能力的強弱，其大小反映了光束傳播單位路徑長度時被吸收的光子數。衰減系數的大小隨光子的波長變化而變化。圖3展示了（氧合）血紅蛋白、水的衰減系數隨入射光子波長的變化。由圖3可見，光子在生物體內的衰減系數在600nm附近出現劇烈下降。因此，為獲得更大的穿透深度，應選擇發光波長較長（>600nm）的熒光，使其能夠在組織內部傳播較遠的距離，獲得更大的成像深度（對小動物而言應達到厘米量級）。
圖3（氧合）血紅蛋白和水的衰減系數隨入射光子波長的變化
隨著技術的不斷進步，小動物三維光學活體成像技術將在以下幾個方面迎來新的發展機遇：
更高分辨率與速度：未來，三維光學成像技術將進一步提高成像分辨率和速度，滿足更多高要求應用場景的需求。
多模態融合：多模態成像技術將成為三維光學成像的重要發展方向。通過結合不同成像技術的優勢，可以實現更全面、更準確的生物過程觀察。
智能化與自動化：隨著人工智能技術的發展，三維光學成像系統將更加智能化和自動化。通過機器學習、深度學習等技術，可以實現自動化的圖像分析和數據處理。
更新時間：2025-04-10
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