研究进展：透明超声换能器实时监测脑部微血管动态
2025-04-16 来源:本站 点击次数:204在现代医学成像领域，光声成像（PAI）作为一种融合了光学成像丰富对比度和超声成像深层穿透能力的非侵入性功能成像技术，正逐渐成为基础研究和临床诊断的有力工具。从血管网络的精细描绘到皮肤、肿瘤和大脑等领域的深入探究，光声成像以其独特的优势为科学家和医生提供了前所未有的洞察力。尽管这一技术前景广阔，但在实现毛细血管级分辨率、宽视场和高帧率成像方面，仍面临着诸多挑战。传统方法依赖机械扫描来扩展成像区域，这种笨重且速度受限的方式严重制约了动态体内研究的进展。透明超声换能器（TUTs）的出现为克服这些难题带来了曙光，它们允许光学波无损通过，同时保留超声功能，为光声成像技术的革新铺平了道路。
研究背景与技术挑战
光声成像的崛起与瓶颈
光声成像结合了光学成像的高对比度和超声成像的深层组织穿透能力，能够提供丰富的解剖和功能信息，在血管成像、皮肤科、肿瘤学和脑科学等多个领域展现出巨大潜力。然而，现有技术在实现毛细血管级分辨率、宽视场和高帧率方面存在明显不足。传统光声显微镜依赖高聚焦激光和高频聚焦超声换能器，虽然能提供高分辨率，但有效成像视场有限，通常仅为几十微米。为了覆盖更大的成像区域，系统不得不依赖机械扫描，这种方式不仅设备笨重，而且成像速度受限于机械扫描速率，难以满足动态体内研究的需求。
透明超声换能器的突破与局限
透明超声换能器（TUTs）的提出为解决上述挑战提供了新思路。TUTs允许光学波无损通过，同时保留超声检测功能，实现了光学照明和超声检测的无缝集成，消除了传统声光耦合器的需求，显著缩小了设备体积，使其适合可穿戴应用。此外，TUTs提供了宽广的视场，允许从传感元件顶部进行二维激光扫描，突破了几何限制。然而，现有TUTs的性能相对较低，带宽仅为10-60%，远低于传统超声换能器的80%以上，导致回波信号脉冲持续时间延长，轴向分辨率降低。同时，现有TUTs的灵敏度较低，信噪比（SNR）难以满足高对比度光声成像的需求。
材料与制造工艺的双重困境
现有透明压电材料（如PVDF聚合物和LiNbO₃晶体）的介电和机电性能显著逊色于传统换能器材料（如PZT压电陶瓷），限制了TUTs的设计。此外，传统高频换能器制造策略与透明度要求不兼容。例如，银载环氧树脂虽常用于高频压电晶体/陶瓷基换能器的内匹配层，但其不透明性使其无法应用于TUTs制造。尽管研究者们已尝试开发各种透明匹配层，但现有方法仍难以弥合TUTs与传统高频换能器之间的性能差距。
技术创新与应用
透明压电晶体的革新
研究团队开发了一种透明超声换能器。通过交流电场极化处理消除光散射铁电畴壁，实现了晶体的高光学透明度。与传统LiNbO₃的透明超声换能器相比，PIN-PMN-PT的透明超声换能器在光声检测灵敏度上提升了四倍，信噪比提高了13分贝，为毛细血管级光声成像提供了有力支持。
研究者采用石英玻璃和环氧树脂匹配层设计，结合低电阻的ITO电极和黄铜环基结构，成功实现了高工作频率（约30MHz）、宽频带（约80%）和优异的脉冲回波灵敏度。这一创新设计不仅优化了声学匹配层，还解决了小型压电晶体的布线难题，同时最大化了光传输的有效光圈。
多模态融合成像的无限可能
PIN-PMN-PT的透明超声换能器与各种光学显微成像技术（如共聚焦、双光子和光学相干层析成像）具有出色的兼容性，为多模态融合成像提供了广阔前景。这种兼容性不仅丰富了成像手段，还为全面解析生物组织的结构和功能提供了更强大的工具。
成像实验与结果分析
小鼠耳部血管成像的卓越表现利用PIN-PMN-PT的透明超声换能器对小鼠耳部血管进行成像，结果令人瞩目。该换能器成功捕捉到了4毫米×4毫米区域内的微血管网络，清晰展现了毛细血管的复杂分支结构。与LiNbO₃的透明超声换能器相比，PIN-PMN-PT的透明超声换能器能够检测到更多细节，最小可分辨血管直径达13微米，信噪比高达18分贝，比LiNbO₃的透明超声换能器高出13分贝。
药物诱导癫痫小鼠大脑皮层微血管动态监测
在对药物诱导癫痫的小鼠进行大脑皮层微血管动态监测时，PIN-PMN-PT的透明超声换能器展现了其在血流动力学研究中的巨大潜力。通过快速二维激光扫描，该换能器以0.8赫兹的帧率动态记录了小鼠大脑皮层微血管的变化。实验发现，在癫痫发作期间，血管直径经历了急剧的收缩和扩张周期，从30微米收缩至15微米，再扩张至50微米，最后恢复至原始大小。这一发现不仅揭示了癫痫发作期间微血管的动态行为，还突显了PIN-PMN-PT的透明超声换能器在捕捉快速生理变化方面的卓越性能。
成像速度与质量的双重提升
与传统机械扫描技术相比，PIN-PMN-PT的透明超声换能器显著减少了图像采集时间。在扫描范围为1.5毫米×1.5毫米、分辨率为250×250像素的情况下，图像采集时间从传统技术的数十秒缩短至1.25秒，速度提升了30倍以上。同时，成像质量并未因速度的提升而受损，展现了高稳定性和优异的成像效果。
总结与展望
研究通过开发基于PIN-PMN-PT弛豫铁电晶体的透明超声换能器，成功克服了现有TUTs在灵敏度和带宽方面的局限，为光声成像技术带来了革命性突破。这种换能器不仅实现了毛细血管级的高分辨率成像，还通过显著提高信噪比和成像速度，为动态体内研究提供了前所未有的工具。从基础研究到临床应用，这一技术突破有望推动多个领域的进步，为医学成像开辟新的可能性。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Qiu C, Zhang Z, Xu Z, Qiao L, Ning L, Zhang S, Su M, Wu W, Song K, Xu Z, Chen LQ, Zheng H, Liu C, Qiu W, Li F. Transparent ultrasonic transducers based on relaxor ferroelectric crystals for advanced photoacoustic imaging. Nat Commun. 2024 Dec 4;15(1):10580.
DOI:10.1038/s41467-024-55032-0.