研究進展：透明超聲換能器實時監測腦部微血管動態
在現代醫學成像領域，光聲成像（PAI）作為一種融合了光學成像豐富對比度和超聲成像深層穿透能力的非侵入性功能成像技術，正逐漸成為基礎研究和臨床診斷的有力工具。從血管網絡的精細描繪到皮膚、腫瘤和大腦等領域的深入探究，光聲成像以其獨特的優勢為科學家和醫生提供了前所未有的洞察力。盡管這一技術前景廣闊，但在實現毛細血管級分辨率、寬視場和高幀率成像方面，仍面臨著諸多挑戰。傳統方法依賴機械掃描來擴展成像區域，這種笨重且速度受限的方式嚴重制約了動態體內研究的進展。透明超聲換能器（TUTs）的出現為克服這些難題帶來了曙光，它們允許光學波無損通過，同時保留超聲功能，為光聲成像技術的革新鋪平了道路。
研究背景與技術挑戰
光聲成像的崛起與瓶頸
光聲成像結合了光學成像的高對比度和超聲成像的深層組織穿透能力，能夠提供豐富的解剖和功能信息，在血管成像、皮膚科、腫瘤學和腦科學等多個領域展現出巨大潛力。然而，現有技術在實現毛細血管級分辨率、寬視場和高幀率方面存在明顯不足。傳統光聲顯微鏡依賴高聚焦激光和高頻聚焦超聲換能器，雖然能提供高分辨率，但有效成像視場有限，通常僅為幾十微米。為了覆蓋更大的成像區域，系統不得不依賴機械掃描，這種方式不僅設備笨重，而且成像速度受限于機械掃描速率，難以滿足動態體內研究的需求。
透明超聲換能器的突破與局限
透明超聲換能器（TUTs）的提出為解決上述挑戰提供了新思路。TUTs允許光學波無損通過，同時保留超聲檢測功能，實現了光學照明和超聲檢測的無縫集成，消除了傳統聲光耦合器的需求，顯著縮小了設備體積，使其適合可穿戴應用。此外，TUTs提供了寬廣的視場，允許從傳感元件頂部進行二維激光掃描，突破了幾何限制。然而，現有TUTs的性能相對較低，帶寬僅為10-60%，遠低于傳統超聲換能器的80%以上，導致回波信號脈沖持續時間延長，軸向分辨率降低。同時，現有TUTs的靈敏度較低，信噪比（SNR）難以滿足高對比度光聲成像的需求。
材料與制造工藝的雙重困境
現有透明壓電材料（如PVDF聚合物和LiNbO₃晶體）的介電和機電性能顯著遜色于傳統換能器材料（如PZT壓電陶瓷），限制了TUTs的設計。此外，傳統高頻換能器制造策略與透明度要求不兼容。例如，銀載環氧樹脂雖常用于高頻壓電晶體/陶瓷基換能器的內匹配層，但其不透明性使其無法應用于TUTs制造。盡管研究者們已嘗試開發各種透明匹配層，但現有方法仍難以彌合TUTs與傳統高頻換能器之間的性能差距。
技術創新與應用
透明壓電晶體的革新
研究團隊開發了一種透明超聲換能器。通過交流電場極化處理消除光散射鐵電疇壁，實現了晶體的高光學透明度。與傳統LiNbO₃的透明超聲換能器相比，PIN-PMN-PT的透明超聲換能器在光聲檢測靈敏度上提升了四倍，信噪比提高了13分貝，為毛細血管級光聲成像提供了有力支持。
研究者采用石英玻璃和環氧樹脂匹配層設計，結合低電阻的ITO電極和黃銅環基結構，成功實現了高工作頻率（約30MHz）、寬頻帶（約80%）和優異的脈沖回波靈敏度。這一創新設計不僅優化了聲學匹配層，還解決了小型壓電晶體的布線難題，同時最大化了光傳輸的有效光圈。
多模態融合成像的無限可能
PIN-PMN-PT的透明超聲換能器與各種光學顯微成像技術（如共聚焦、雙光子和光學相干層析成像）具有出色的兼容性，為多模態融合成像提供了廣闊前景。這種兼容性不僅豐富了成像手段，還為全面解析生物組織的結構和功能提供了更強大的工具。
成像實驗與結果分析
小鼠耳部血管成像的卓越表現利用PIN-PMN-PT的透明超聲換能器對小鼠耳部血管進行成像，結果令人矚目。該換能器成功捕捉到了4毫米×4毫米區域內的微血管網絡，清晰展現了毛細血管的復雜分支結構。與LiNbO₃的透明超聲換能器相比，PIN-PMN-PT的透明超聲換能器能夠檢測到更多細節，最小可分辨血管直徑達13微米，信噪比高達18分貝，比LiNbO₃的透明超聲換能器高出13分貝。
藥物誘導癲癇小鼠大腦皮層微血管動態監測
在對藥物誘導癲癇的小鼠進行大腦皮層微血管動態監測時，PIN-PMN-PT的透明超聲換能器展現了其在血流動力學研究中的巨大潛力。通過快速二維激光掃描，該換能器以0.8赫茲的幀率動態記錄了小鼠大腦皮層微血管的變化。實驗發現，在癲癇發作期間，血管直徑經歷了急劇的收縮和擴張周期，從30微米收縮至15微米，再擴張至50微米，最后恢復至原始大小。這一發現不僅揭示了癲癇發作期間微血管的動態行為，還突顯了PIN-PMN-PT的透明超聲換能器在捕捉快速生理變化方面的卓越性能。
成像速度與質量的雙重提升
與傳統機械掃描技術相比，PIN-PMN-PT的透明超聲換能器顯著減少了圖像采集時間。在掃描范圍為1.5毫米×1.5毫米、分辨率為250×250像素的情況下，圖像采集時間從傳統技術的數十秒縮短至1.25秒，速度提升了30倍以上。同時，成像質量并未因速度的提升而受損，展現了高穩定性和優異的成像效果。
總結與展望
研究通過開發基于PIN-PMN-PT弛豫鐵電晶體的透明超聲換能器，成功克服了現有TUTs在靈敏度和帶寬方面的局限，為光聲成像技術帶來了革命性突破。這種換能器不僅實現了毛細血管級的高分辨率成像，還通過顯著提高信噪比和成像速度，為動態體內研究提供了前所未有的工具。從基礎研究到臨床應用，這一技術突破有望推動多個領域的進步，為醫學成像開辟新的可能性。
論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
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.
