超聲技術作為現代醫學影像與治療的核心手段，其安全性與實時性已得到廣泛驗證。然而，傳統壓電超聲換能器受限于材料特性與制造工藝，難以突破高頻帶寬、微型化集成及電磁干擾等瓶頸。近年來，光聲技術的崛起為超聲領域注入了全新活力——通過光能向聲能的精準轉換，光學超聲技術以高分辨率、寬頻帶、非接觸式操控等特性，正在重塑生物醫學成像與治療的邊界。從單細胞尺度的神經調控到血管內實時成像，從血栓精準溶解到跨膜藥物遞送，光學超聲技術正以顛覆性創新推動臨床診療向微創化、精準化邁進。

研究背景與技術挑戰
傳統超聲技術的困境
超聲技術在生物醫學領域的地位舉足輕重，而壓電換能器是目前產生超聲的主要設備。但壓電效應產生的超聲信號帶寬有限，這極大地限制了高分辨率超聲的應用。在對微小病灶的精準診斷中，有限的帶寬使得成像的清晰度大打折扣，難以滿足臨床需求。

壓電換能器的小型化也困難重重。制造微小結構和形成窄間距的過程極為復雜，需要應用復雜的切割和填充技術。而且，隨著壓電換能器面積的減小，其靈敏度會顯著下降，無法實現對微弱信號的有效檢測。此外，高頻超聲波在高精度治療和調控方面具有關鍵作用，但高強度聚焦超聲（HIFU）在實際應用中，由于壓電材料和大孔徑的阻抗不匹配，面臨著諸多挑戰，還存在使周圍健康組織過度暴露于高聲能的風險，可能會對健康組織或血管壁造成損傷。

光聲技術的興起
光聲技術的出現，為解決傳統超聲技術的難題帶來了新的思路。光聲過程是將光轉換為聲波的過程，它兼具超聲技術優異的成像深度和光學技術的高分辨率特征。在醫學領域，光聲技術不僅可以應用于成像和分析領域，還提供了一種產生高幅值、高精度超聲的方案，即激光產生超聲（LGUS）。

應用于光學超聲換能器的材料通常由高光吸收系數的吸收體和高熱膨脹系數的周圍介質組成。光吸收體將光能轉化為熱能，隨后，高熱膨脹系數的周圍介質產生高強度超聲。這種方法可以輕松地使用短脈沖激光產生寬帶高頻超聲信號，并且其電磁免疫的特性更適合應用于生物醫學領域，為超聲技術的發展開辟了新的方向。

技術創新與應用
光學超聲技術的原理揭秘
光學超聲的原理基于光聲效應，當光脈沖照射在換能器上，光聲轉換層吸收光能后將其轉變成熱能，熱能傳遞到周圍介質中，通過熱彈性機制產生聲波。早期的光學換能器采用無機材料制備，后來研究人員提出了由無機材料和有機材料共同組成的復合光學超聲換能器，無機材料組成高吸光層，有機材料組成膨脹層，實現了更高效的光-熱-聲能量轉換。

光聲效應的產生需要滿足熱約束條件和應力約束條件。若激光脈寬遠小于熱弛豫時間，稱為滿足熱約束，此時熱傳導可以忽略不計；若激光脈寬遠小于壓力弛豫時間，稱為滿足壓力約束，此時壓力傳導可以忽略不計。這兩個重要的時間尺度與光吸收區域的特征長度有關，限制了入射光的穿透深度和光學超聲換能器的設計厚度。為了獲得高振幅的光聲信號，需要將具有較高熱膨脹系數的聚合物與高吸光系數的光吸收材料復合，以提高光學超聲的轉換效率。

碳基材料如石墨烯、碳納米纖維、炭黑和碳納米管等，因具有寬帶光吸收、高的光熱轉換效率、優異的熱導率、低的比熱容和良好的熱擴散率，成為研究熱點。膨脹介質通常選用PDMS，它具有優秀的熱膨脹性能、光學透明性和化學惰性，并且擁有與水相當的聲阻抗水平。這些材料的組合，為光學超聲換能器的性能提升奠定了基礎。

光學超聲換能器根據形狀可分為平面型、聚焦型和光纖型。平面型光學超聲換能器制備工藝簡單，初期用于驗證光聲轉換原理，但存在超聲不聚焦、聲壓低的問題。為解決這些問題，可提高光聲材料的光聲轉換效率，或通過柔性結構改造將其改為聚焦型器件。

聚焦型光學超聲換能器為高精度治療和調控提供了有效解決方案。它利用凹形基板產生超聲，通過自聚焦效應在焦點處產生比平面換能器更高的輸出聲壓，聲壓集中，聲焦斑小，可以精準地對目標位置施加超聲，提供更高的分辨率。凹形光學超聲換能器通常采用一步法、倒模法制作，可應用于多種需要高精度和大聲壓的微尺度場景。

光纖型光學超聲換能器隨著醫學手段的進步而發展，它可集成在光纖表面或探頭內，實現緊湊的光學超聲換能器，為探頭的小型化提供了全新解決方案。從光學超聲發射的位置來看，光纖型光聲換能器分為端面發聲光聲換能器和側壁發聲光聲換能器，可應用于成像、介入式治療、側視掃描、多點探測等多種場景。

光學超聲空化治療利用超聲波的強烈沖擊和空化效應，可用于軟組織治療、腎結石碎裂以及細胞操作等。聚焦光聲脈沖產生的微空化還可用于實現高精度聲波手術刀，未來有望應用于無創手術。光學超聲高精度神經調節作為一種新興的神經調控技術，為神經科學研究和疾病治療提供了新手段，可實現對神經元的精準刺激和調節。

光學超聲換能器還在工業檢測領域實現了初步探索。傳統的無損檢測常存在超聲帶寬窄和電磁干擾的問題，光學超聲換能器提供了一種電磁免疫的無損檢測手段，可根據樣品內部缺陷與缺陷邊緣處的超聲回波信號實現對缺陷的定位，為工業生產的質量控制提供了新方法。

成像實驗與結果分析
微型光學換能器的成像實驗
研究人員在微型光學換能器的成像實驗方面進行了大量探索。2023年，Noimark小組首次使用由CSNP-PDMS制備的光纖換能器記錄了體外腦組織超聲圖像。該實驗中，光纖換能器能夠產生高于3MPa的峰峰值超聲壓力和超過29MHz的帶寬，記錄的羔羊腦組織離體脈沖回波超聲圖像成像深度高達10mm，最小軸向分辨率為40μm，橫向成像分辨率最小為180μm，清晰地展現了大腦和小腦的形態結構。

更多的光學超聲微型探頭被應用于血管內超聲成像。2007年，Guo團隊提出全光學超聲換能器，為全光學在超聲上的應用提供了新思路。此后，多個團隊相繼使用不同的光聲發聲裝置以及光學超聲探測裝置在體外進行全光學超聲成像試驗。2016年，Desjardins團隊使用PDMS-MWCNT材料對主動脈進行全光學脈沖回波超聲成像，觀察到了血管膜、血管外膜和血管壁等組織形態隨深度的變化。2019年，Beard小組使用涂有PDMS-MWCNT復合涂層的光纖完成了血管內超聲成像，實現了優于50μm的軸向分辨率和5frame/s的實時成像速率。

光學超聲成像還具有大深度成像的能力，能夠穿透較深的組織，獲取更全面的信息。結合實時成像的特性，醫生可以在手術過程中實時監測組織的變化，提高手術的精準性和安全性。光學超聲技術的應用為臨床診斷和治療帶來了新的突破，具有重要的臨床意義。

總結與展望
光學超聲技術通過材料、結構與應用的三維創新，正逐步突破傳統超聲的物理極限，其高分辨率、寬頻帶、抗電磁干擾等特性，在生物醫學領域展現出不可替代的優勢。當前研究已證實其在血管內成像、神經調控、靶向治療等場景的可行性，可以預見，隨著光學、材料、聲學等多學科的深度交叉，光學超聲技術將逐步從實驗室走向手術室，成為精準醫學的核心工具之一。

聲明：本文僅用作學術目的。

李琳, 吳凡, 王磊, 王力, 王璞. 光學超聲微尺度應用[J]. 中國激光, 2024, 51(21): 2107201. 

DOI:10.3788/CJL241134.