基于球形阵列的超宽带光声显微技术实时观测人体深层微血管
2025-09-24 来源:本站 点击次数:49本项重要研究由Pavel V. Subochev、Xosé Luis Deán-Ben、Zhenyue Chen等学者合作完成，论文题为“Ultrawideband high density polymer-based spherical array for real-time functional optoacoustic micro-angiography”，于2025年7月在《Light: Science & Applications》期刊正式发表。
重要发现
01超宽带聚合物球形矩阵阵列的设计与实现
研究团队设计并制造了一种新型球形PVDF阵列，其曲率半径为15.02毫米，涵盖512个独立传感单元，每个单元面积约为0.95 mm²。该阵列使用25微米厚的PVDF薄膜，借助精密球形模具成型，并通过真空溅射工艺制作金属电极。为了应对PVDF单元高阻抗、低电容带来的信号衰减和带宽压缩问题，团队开发了512通道的前置放大器系统，基于双栅MOSFET晶体管设计，增益达到30 dB，有效带宽覆盖0.3–40 MHz。
在性能测试中，该阵列的噪声等效压力（NEP）为1 mPa/√Hz，实验显示其在低频段（0.3–5 MHz）的信噪比较传统PZT阵列提高了24 dB，中频段（5–25 MHz）也提高了11 dB。通过扫描吸收性微球体实验，系统在横向和轴向上的分辨率分别达到35 μm和22 μm。此外，研究者还通过点源扫描技术精确标定了每个元件的位置，进一步优化了三维重建算法的精度。
03多尺度血管成像能力的验证
利用该阵列的超宽带特性，研究团队成功在无需信号平均的情况下实现了人体手掌血管网络的实时三维成像。不仅可清晰显示深度3–4毫米、直径大于1毫米的血管，还能分辨出浅表皮肤层中直径仅37微米的毛细血管以及汗腺孔等微观结构。此外，通过多光谱成像技术，系统能实时捕捉血氧饱和度的动态变化，甚至可推算慢速静脉血流的速度，为功能性血管研究提供全新工具。
04大脑血流氧合的功能成像应用
在小鼠实验中，研究人员通过非侵入式方式记录了大脑血管在不同呼吸气体条件（常氧与高氧）下的氧合变化。借助快速波长切换（700–850 nm）和实时三维重建，系统以0.5秒的时间分辨率成功捕捉到脑部血氧的动态变化过程，并识别出直径仅55 μm的微小血管。此外，通过对后肢电刺激诱发脑血流响应实验，系统还能够同时获取氧合血红蛋白（HbO）、脱氧血红蛋白（HbR）及总血红蛋白（HbT）的多参数动态变化。
创新与亮点
01突破传统阵列的带宽限制
与主流压电复合阵列相比，本研究提出的PVDF球形阵列最大创新点在于其超宽带检测能力（0.3–40 MHz），覆盖了光声信号中的关键低频与高频成分。传统PZT阵列由于带宽窄、低频灵敏度不足，难以同时实现大血管和小微血管的准确成像，而PVDF材料不仅频响范围宽，还具有与生物组织更匹配的声阻抗，显著提高了信号保真度和成像定量能力。
该阵列集成了512个微型接收单元，并实现了前置放大电路的紧密耦合，有效解决了高阻抗PVDF单元在传输过程中的信号衰减问题。其低电容特性（约2 pF/单元）使得大面积阵列的设计成为可能，而多通道并行采集系统也保障了实时体积成像的高时间分辨率。
03推动功能性与分子成像的发展
该系统不仅具备实时三维成像能力，还可通过多光谱数据分解得到HbO与HbR的分布图，适用于大脑刺激响应、肿瘤缺氧研究等多种生物医学场景。其能力远超越传统仅反映血管形态的成像方式，为光声技术在功能成像和精准医疗领域的应用奠定基础。
总结与展望
本研究成功研制出全球首款超宽带高密度PVDF球形光声阵列，实现了多尺度、高分辨率的实时体积成像，显著提升了光声技术在血管成像、脑科学研究及临床转化中的应用潜力。该技术不仅在系统带宽、灵敏度和时空分辨率方面取得重要突破，还展示了在五维成像方面的巨大优势，包括快速血氧动态监测和脑功能活动可视化。
展望未来，这一技术的发展将推动光声成像在可穿戴设备、术中导航以及精准医疗中的广泛应用，尤其有望在肿瘤血管评估、神经活动监测和药物疗效评价中发挥关键作用。随着阵列工艺和重建算法的进一步优化，新一代光声成像系统将更广泛应用于生物医学前沿领域。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Subochev PV, Deán-Ben XL, Chen Z, Prudnikov MB, Vorobev VA, Kurnikov AA, Orlova AG, Postnikova AS, Kharitonov AV, Proyavin MD, Ovsyannikov RI, Sanin AG, Kirillin MY, Montero de Espinosa F, Turchin IV, Razansky D. Ultrawideband high density polymer-based spherical array for real-time functional optoacoustic micro-angiography. Light Sci Appl. 2025 Jul 7;14(1):239.
DOI:10.1038/s41377-025-01894-y.