超声技术作为现代医学影像与治疗的核心手段，其安全性与实时性已得到广泛验证。然而，传统压电超声换能器受限于材料特性与制造工艺，难以突破高频带宽、微型化集成及电磁干扰等瓶颈。近年来，光声技术的崛起为超声领域注入了全新活力——通过光能向声能的精准转换，光学超声技术以高分辨率、宽频带、非接触式操控等特性，正在重塑生物医学成像与治疗的边界。从单细胞尺度的神经调控到血管内实时成像，从血栓精准溶解到跨膜药物递送，光学超声技术正以颠覆性创新推动临床诊疗向微创化、精准化迈进。

研究背景与技术挑战
传统超声技术的困境
超声技术在生物医学领域的地位举足轻重，而压电换能器是目前产生超声的主要设备。但压电效应产生的超声信号带宽有限，这极大地限制了高分辨率超声的应用。在对微小病灶的精准诊断中，有限的带宽使得成像的清晰度大打折扣，难以满足临床需求。

压电换能器的小型化也困难重重。制造微小结构和形成窄间距的过程极为复杂，需要应用复杂的切割和填充技术。而且，随着压电换能器面积的减小，其灵敏度会显著下降，无法实现对微弱信号的有效检测。此外，高频超声波在高精度治疗和调控方面具有关键作用，但高强度聚焦超声（HIFU）在实际应用中，由于压电材料和大孔径的阻抗不匹配，面临着诸多挑战，还存在使周围健康组织过度暴露于高声能的风险，可能会对健康组织或血管壁造成损伤。

光声技术的兴起
光声技术的出现，为解决传统超声技术的难题带来了新的思路。光声过程是将光转换为声波的过程，它兼具超声技术优异的成像深度和光学技术的高分辨率特征。在医学领域，光声技术不仅可以应用于成像和分析领域，还提供了一种产生高幅值、高精度超声的方案，即激光产生超声（LGUS）。

应用于光学超声换能器的材料通常由高光吸收系数的吸收体和高热膨胀系数的周围介质组成。光吸收体将光能转化为热能，随后，高热膨胀系数的周围介质产生高强度超声。这种方法可以轻松地使用短脉冲激光产生宽带高频超声信号，并且其电磁免疫的特性更适合应用于生物医学领域，为超声技术的发展开辟了新的方向。

技术创新与应用
光学超声技术的原理揭秘
光学超声的原理基于光声效应，当光脉冲照射在换能器上，光声转换层吸收光能后将其转变成热能，热能传递到周围介质中，通过热弹性机制产生声波。早期的光学换能器采用无机材料制备，后来研究人员提出了由无机材料和有机材料共同组成的复合光学超声换能器，无机材料组成高吸光层，有机材料组成膨胀层，实现了更高效的光-热-声能量转换。

光声效应的产生需要满足热约束条件和应力约束条件。若激光脉宽远小于热弛豫时间，称为满足热约束，此时热传导可以忽略不计；若激光脉宽远小于压力弛豫时间，称为满足压力约束，此时压力传导可以忽略不计。这两个重要的时间尺度与光吸收区域的特征长度有关，限制了入射光的穿透深度和光学超声换能器的设计厚度。为了获得高振幅的光声信号，需要将具有较高热膨胀系数的聚合物与高吸光系数的光吸收材料复合，以提高光学超声的转换效率。

碳基材料如石墨烯、碳纳米纤维、炭黑和碳纳米管等，因具有宽带光吸收、高的光热转换效率、优异的热导率、低的比热容和良好的热扩散率，成为研究热点。膨胀介质通常选用PDMS，它具有优秀的热膨胀性能、光学透明性和化学惰性，并且拥有与水相当的声阻抗水平。这些材料的组合，为光学超声换能器的性能提升奠定了基础。

光学超声换能器根据形状可分为平面型、聚焦型和光纤型。平面型光学超声换能器制备工艺简单，初期用于验证光声转换原理，但存在超声不聚焦、声压低的问题。为解决这些问题，可提高光声材料的光声转换效率，或通过柔性结构改造将其改为聚焦型器件。

聚焦型光学超声换能器为高精度治疗和调控提供了有效解决方案。它利用凹形基板产生超声，通过自聚焦效应在焦点处产生比平面换能器更高的输出声压，声压集中，声焦斑小，可以精准地对目标位置施加超声，提供更高的分辨率。凹形光学超声换能器通常采用一步法、倒模法制作，可应用于多种需要高精度和大声压的微尺度场景。

光纤型光学超声换能器随着医学手段的进步而发展，它可集成在光纤表面或探头内，实现紧凑的光学超声换能器，为探头的小型化提供了全新解决方案。从光学超声发射的位置来看，光纤型光声换能器分为端面发声光声换能器和侧壁发声光声换能器，可应用于成像、介入式治疗、侧视扫描、多点探测等多种场景。

光学超声空化治疗利用超声波的强烈冲击和空化效应，可用于软组织治疗、肾结石碎裂以及细胞操作等。聚焦光声脉冲产生的微空化还可用于实现高精度声波手术刀，未来有望应用于无创手术。光学超声高精度神经调节作为一种新兴的神经调控技术，为神经科学研究和疾病治疗提供了新手段，可实现对神经元的精准刺激和调节。

光学超声换能器还在工业检测领域实现了初步探索。传统的无损检测常存在超声带宽窄和电磁干扰的问题，光学超声换能器提供了一种电磁免疫的无损检测手段，可根据样品内部缺陷与缺陷边缘处的超声回波信号实现对缺陷的定位，为工业生产的质量控制提供了新方法。

成像实验与结果分析
微型光学换能器的成像实验
研究人员在微型光学换能器的成像实验方面进行了大量探索。2023年，Noimark小组首次使用由CSNP-PDMS制备的光纤换能器记录了体外脑组织超声图像。该实验中，光纤换能器能够产生高于3MPa的峰峰值超声压力和超过29MHz的带宽，记录的羔羊脑组织离体脉冲回波超声图像成像深度高达10mm，最小轴向分辨率为40μm，横向成像分辨率最小为180μm，清晰地展现了大脑和小脑的形态结构。

更多的光学超声微型探头被应用于血管内超声成像。2007年，Guo团队提出全光学超声换能器，为全光学在超声上的应用提供了新思路。此后，多个团队相继使用不同的光声发声装置以及光学超声探测装置在体外进行全光学超声成像试验。2016年，Desjardins团队使用PDMS-MWCNT材料对主动脉进行全光学脉冲回波超声成像，观察到了血管膜、血管外膜和血管壁等组织形态随深度的变化。2019年，Beard小组使用涂有PDMS-MWCNT复合涂层的光纤完成了血管内超声成像，实现了优于50μm的轴向分辨率和5frame/s的实时成像速率。

光学超声成像还具有大深度成像的能力，能够穿透较深的组织，获取更全面的信息。结合实时成像的特性，医生可以在手术过程中实时监测组织的变化，提高手术的精准性和安全性。光学超声技术的应用为临床诊断和治疗带来了新的突破，具有重要的临床意义。

总结与展望
光学超声技术通过材料、结构与应用的三维创新，正逐步突破传统超声的物理极限，其高分辨率、宽频带、抗电磁干扰等特性，在生物医学领域展现出不可替代的优势。当前研究已证实其在血管内成像、神经调控、靶向治疗等场景的可行性，可以预见，随着光学、材料、声学等多学科的深度交叉，光学超声技术将逐步从实验室走向手术室，成为精准医学的核心工具之一。

声明：本文仅用作学术目的。

李琳, 吴凡, 王磊, 王力, 王璞. 光学超声微尺度应用[J]. 中国激光, 2024, 51(21): 2107201. 

DOI:10.3788/CJL241134.