光学活体成像通过在小动物体内植入荧光标记物，利用相对应的激发光使这些标记物发出荧光，实现对生物体内特定细胞或分子非侵入式的精确探测和定量；并通过对影像数据的深度挖掘和分析，深入研究动物模型中与疾病发生、发展相关的生物标志物，以获得疾病的早期诊断和治疗、评估药物的疗效和安全性的关键数据。
图1小鼠结肠癌二维活体成像
锐视二维光学活体成像系统（IMAGING200）扫描成像结果
主要基于光学成像原理，通过特定的光源（如荧光、生物发光等）和高灵敏度的探测器，获取小动物体内的三维图像。其基本原理可以概括为以下几点：
光源的选择：常用的光源包括荧光染料、荧光蛋白、生物发光等。这些光源可以在特定波长下发出光信号，通过探测器捕捉这些信号，实现成像。
光的传播与吸收：光在生物组织中的传播会受到吸收和散射的影响。通过数学模型和算法，可以对这些影响进行校正，从而获得准确的三维图像。
多视角成像：为了获得完整的三维信息，通常需要从多个角度对小动物进行成像。通过计算机算法将多张二维图像合成三维模型。
光学活体成像需要在近红外波段（NearInfrared，NIR）进行，因为这个波段的光子在生物体中的吸收较少，具有较好的组织穿透能力。光子在生物体中的吸收过程主要由生物组织中的色素所决定，在可见到近红外波段，主要的吸收色素包括血红蛋白（Hb）、氧合血红蛋白（HbO₂）以及水。首先，血红蛋白和氧合血红蛋白是血液中的重要成分：血红蛋白是红细胞内运输氧的特殊蛋白质，而氧合血红蛋白则是血红蛋白与氧结合后的产物；这两种色素在不同的波段有特定的吸收特性。其次，水作为生物体的主要成分，会吸收特定波长的光，其吸收特性与水分子的振动和转动能级有关。光子与这些色素相互作用时，光子能量会被色素分子吸收，并转化为分子的振动能或电子的激发能，这个过程会影响光在生物组织中的传播。
图2小鼠前列腺肿瘤三维活体成像
锐视三维光学活体成像系统（IMAGING200pro）扫描成像结果
衰减系数被用来表征物质对光子吸收能力的强弱，其大小反映了光束传播单位路径长度时被吸收的光子数。衰减系数的大小随光子的波长变化而变化。图3展示了（氧合）血红蛋白、水的衰减系数随入射光子波长的变化。由图3可见，光子在生物体内的衰减系数在600nm附近出现剧烈下降。因此，为获得更大的穿透深度，应选择发光波长较长（>600nm）的荧光，使其能够在组织内部传播较远的距离，获得更大的成像深度（对小动物而言应达到厘米量级）。
图3（氧合）血红蛋白和水的衰减系数随入射光子波长的变化
随着技术的不断进步，小动物三维光学活体成像技术将在以下几个方面迎来新的发展机遇：
更高分辨率与速度：未来，三维光学成像技术将进一步提高成像分辨率和速度，满足更多高要求应用场景的需求。
多模态融合：多模态成像技术将成为三维光学成像的重要发展方向。通过结合不同成像技术的优势，可以实现更全面、更准确的生物过程观察。
智能化与自动化：随着人工智能技术的发展，三维光学成像系统将更加智能化和自动化。通过机器学习、深度学习等技术，可以实现自动化的图像分析和数据处理。
更新时间：2025-04-10
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