双频弧形光纤超声阵列光声层析成像实现深脑高分辨血氧定量检测
2026-06-22 来源:本站 点击次数:12光声层析成像作为融合光学高对比度与超声深穿透优势的混合生物成像技术，可实现多尺度、多对比度的结构与功能成像，但现有主流压电换能器阵列存在尺寸依赖的灵敏度局限、响应带宽较窄、材料刚性强等固有缺陷，制约了成像分辨率、穿透深度与功能定量精度的进一步提升。本研究提出一种具备片状超声聚焦特性的弧形光纤超声换能器阵列，实现跨倍频程的双频响应与极低的声压检测下限，在小鼠全脑成像中达成1.2厘米穿透深度与大脑皮层区域70微米的空间分辨率，并显著提升血氧饱和度定量评估的准确性。
本研究由Zitao Chen、Yuhan Wu、Hexiang Xu、Lanling Liang、Jun Ma、Yi Zhang、Bai-Ou Guan共同完成，论文题为Dual-frequency fiber-array photoacoustic computed tomography for high-resolution deep brain imaging，于2026年6月在线发表于Light: Science & Applications。
重要发现
01双频光纤超声换能器的设计与性能表征
针对传统压电换能器的性能局限，研究团队依托光学光纤的结构自由度，提出通过聚合物涂层调控声耦合的双频超声探测方案。裸石英光纤的本征横向共振模式处于20-30MHz的高频区间，而杨氏模量远低于石英的聚合物涂层可等效为低刚度机械振子，二者的机械耦合会将部分振动能量转移至2-3MHz的低频区间，从而形成跨越多个倍频程的双频响应特性。该设计无需集成多个不同频段的换能器，仅通过单根光纤即可同时获取高低频超声信号，从根源上避免了多换能器系统的信号对齐与图像配准难题。
研究人员可通过调整聚合物涂层的长度精准调控频率响应的高低频占比：涂层长度越长，低频段信号幅度越高，高频段响应相应减弱。经过多组参数优化，研究最终选取8毫米的涂层长度，平衡低频的组织穿透能力与高频的空间分辨率优势，适配生物组织成像的综合需求。为避免双频信号混叠，研究采用截止频率为5兆赫的三阶巴特沃斯滤波器，将采集信号分离为独立的低通与高通通道，分别对应不同尺度的成像需求。
在此基础上，团队利用光纤轴向的高柔韧性，将换能器弯曲为固定曲率的弧形，无需额外声学透镜即可形成片状超声聚焦。这种无透镜聚焦结构将换能器的声压检测下限降低至约5.2帕，同时在垂直于成像截面的方向实现约400微米的层厚，具备优异的截面成像能力，可有效抑制离面信号带来的图像干扰。研究进一步验证了弯曲曲率与成像性能的关联：曲率半径越大则聚焦焦距越长、聚焦强度越弱，对应成像视场范围更大但信号响应幅度有所降低，该规律为不同成像场景的换能器参数定制提供了明确依据。
02弧形光纤阵列光声计算层析系统的构建基于上述双频聚焦光纤超声换能器，研究团队搭建了全光结构的光声计算层析成像系统。该系统采用8根光纤换能器，以18.75度的角度间隔沿圆周排布，整体形成150度的弧形阵列覆盖，所有换能器的聚焦平面统一重合于系统几何中心，实现共焦探测。系统配备多波长输出的脉冲激光作为光声激发光源，通过光纤束将照明光均匀投射至成像区域，同时采用八通道并行解调装置读取阵列信号，保障多通道数据的同步采集效率。
03成像性能的多维度实验验证
研究通过多组体模与在体实验，系统验证了该成像系统的性能表现。针对包含细毛发与碳纳米颗粒溶液管的混合散射体模，系统可同时清晰分辨直径约100微米的细毛发与直径2毫米的吸收管结构。其中对应低频信号的大尺寸吸收管可在3厘米深度下仍保持可观测性，验证了双频设计同时兼顾精细分辨率与深穿透能力的核心优势。针对叶片体模的成像结果显示，低频通道可完整呈现主静脉的整体结构，高频通道则可清晰捕捉细小叶脉分支与边缘细节，二者融合后可获得兼具整体轮廓与精细纹理的高质量成像结果。
在体小鼠脑成像实验进一步验证了系统的生物医学应用能力。针对小鼠大脑皮层的成像中，系统可清晰分辨上矢状窦等主要血管结构与周边的分支血管，其中大脑皮层区域的空间分辨率可达70微米。针对小鼠全脑冠状截面的成像中，系统最大穿透深度可达1.2厘米，可完整呈现从大脑皮层、海马、丘脑到口鼻咽区域的整体解剖结构，同时在4毫米深度的丘脑区域仍可分辨直径约130微米的微血管。通过叠加不同前后位置的冠状截面图像，还可完成小鼠全脑血管的三维容积重建，直观呈现全脑的血管空间分布特征。
04血氧定量与病理成像的应用验证依托双频信号的差异化响应特性，研究团队验证了该系统在血氧饱和度定量检测中的精度提升效果。体外大鼠血液管体模实验结果显示，高频信号主要反映血管壁附近的血氧信息，数值波动较大；而低频信号可覆盖血管内全截面的血液区域，更贴近血液真实的血氧水平。统计分析表明，基于低频信号计算的血氧饱和度数值离散度更低，可准确区分动脉血与静脉血的血氧水平差异，检测结果与商用血气分析仪的测量结果具有良好的一致性。同时实验验证了生理范围内的血流速度对血氧检测结果无显著影响，保障了在体动态检测的可靠性。
在体氧激发实验中，通过调整小鼠吸入气体的氧气浓度，系统可稳定监测小鼠大脑横断与冠状截面的血氧饱和度动态变化，皮层浅表血管与脑深部血管均呈现出与氧气浓度对应的响应趋势，验证了系统在脑功能研究中的应用潜力。针对皮下肿瘤与原位胶质母细胞瘤小鼠模型的成像实验显示，系统可清晰呈现肿瘤区域的异常血管分布形态，同时可定量映射肿瘤区域的血氧饱和度特征，其成像结果与磁共振成像、组织染色结果具有良好的对应性，可为肿瘤筛查与病理机制研究提供无标记的在体成像工具。
创新与亮点
本研究突破了传统压电超声换能器在光声成像中的三大核心瓶颈：一是解决了换能器尺寸与灵敏度的固有矛盾，光纤结构兼具微小单元尺寸与高声压检测灵敏度，打破了压电换能器需增大尺寸保障灵敏度的技术局限。二是打破了单频带宽的性能限制，通过聚合物涂层声耦合设计实现单换能器的双宽带响应，无需多系统融合即可同时获取深穿透与高分辨率成像信息，避免了多模态图像配准的误差与操作复杂度。三是突破了换能器结构刚性的应用局限，光纤的柔性特质可实现无透镜片状聚焦与灵活的视场调控，可适配不同尺寸的成像对象与场景。
该技术为脑功能研究、肿瘤病理评估等场景提供了无标记、高分辨率的深穿透成像工具，相较于磁共振成像具备更低的使用成本与无金属植入限制的优势，相较于超声定位显微无需注射微泡造影剂且可直接提供血氧功能信息，在临床前生命科学研究与未来临床转化中具备重要应用价值。
总结与展望
本研究开发的双频光纤阵列光声计算层析技术，通过创新的换能器结构设计，同时实现了厘米级深穿透、微米级高分辨率与高精度血氧定量检测，为生物医学光声成像提供了全新的技术路径。未来可通过增加阵列单元数量进一步提升成像时间分辨率，拓展成像视场与多分子成像能力，推动该技术向临床乳腺成像、外周血管疾病评估等方向转化，为更多生物医学研究与临床诊断提供支撑。
声明：本文仅用作学术目的。
Chen Z, Wu Y, Xu H, Liang L, Ma J, Zhang Y, Guan BO. Dual-frequency fiber-array photoacoustic computed tomography for high-resolution deep brain imaging. Light Sci Appl. 2026 Jun 1;15(1):257.
DOI:10.1038/s41377-026-02324-3.