基于透明超声换能器阵列的超声、光声及荧光三模态成像系统
2025-11-15 10:58:23   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

多模态光学与超声成像（USI）能够提供互补的医疗诊断信息。然而，由于传统超声成像使用不透明的超声换能器，将这两种成像方式集成通常会导致手持探头体积庞大、结构复杂，并且两种模态的性能都难以充分发挥。透明超声换能器（TUT）通过充当光学窗口，可以实现光与超声波束的无缝集成，从而解决上述问题，但单元件透明超声换能器在临床环境中仍较为少见。

据麦姆斯咨询报道，近日，韩国浦项科技大学（POSTECH）、‌庆北国立大学、首尔大学医学院等机构的研究人员提出了一种临床级的超声、光声及荧光三模态成像系统，通过线性透明超声换能器阵列实现无缝集成。该系统包含64个通道，中心频率为7 MHz，在近红外（NIR）波段具有72.7%的光学透过率。该系统的手持光-超声探头将透明超声换能器阵列、微型相机与光纤同轴集成在紧凑的结构之中。

该三模态成像系统成功实现了对活体动物、健康志愿者及淋巴水肿患者组织中结构特征、血管及淋巴管的实时可视化。通过精确标测浅层组织、血管与淋巴管，研究人员利用该原型系统成功指导了淋巴静脉吻合显微外科手术。上述临床前研究表明，该系统在需要显微手术引导的多种临床操作中具有潜在应用价值，为多模态成像的未来发展奠定了基础。上述研究成果以“Clinical ultrasound, photoacoustic, and fluorescence image-guided lymphovenous anastomosis microsurgery via a transparent ultrasound transducer array”为题发表于Nature Communications期刊。

透明超声换能器阵列的制备

如图1a所示，透明超声换能器阵列的制备分为五个步骤：制备各个独立层、将各个材料层压成叠层、对叠层材料进行固化与稳定处理、将叠层材料切割成通道，以及在其上涂覆声透镜。其中，压电材料采用了铌酸镁铅-钛酸铅（PMN-PT），原因在于其具有高机电耦合系数（约0.6）、高压电常数（约1190 pC/N）以及低纵向声速（约4600 m/s），这些特性使其在透明超声换能器阵列中被切割成小阵元时仍能提供出色的声学性能。虽然PMN-PT本身具有一定的光学透明性，但仍需通过高精度研磨和抛光来获得更加透明、平整的表面。材料的两面均均匀镀覆氧化铟锡（ITO）作为透明电极，并在边缘添加金条带，以提升与其他层电极连接时的导电效率。

图1 透明超声换能器阵列的制备工艺

图1c展示了完成制备的透明超声换能器阵列从正面和背面观察的照片。值得注意的是，在背面视图中，透明超声换能器阵列中超声有效作用区域的透明性使得背景文字清晰可见。此外，在放大的图像中，可以隐约分辨出分离的阵元。

透明超声换能器阵列的声学和光学特性

为了评估透明超声换能器阵列的声学性能，研究人员采用脉冲回波测试来检测脉冲响应，并验证声信号及其频率响应。声波波形衰减适中，持续时间小于1 μs，频率范围的中心频率为7 MHz，带宽为45%，适用于成像（图2a）。接着，研究员测量了电阻抗和相位角谱，以确定透明超声换能器阵列在不同频率下的电学特性（图2b）。谐振频率（f_r）和反谐振频率（f_a）分别在6.53 MHz和7.54 MHz处呈现为明显峰值。有效机电耦合系数（k_eff）计算为0.5。这些结果与基于Krimholtz-Leedom-Matthaei（KLM）模型的仿真结果一致，确认制备的该透明超声换能器阵列符合设计要求。

图2 透明超声换能器阵列的声学和光学特性

对于透明超声换能器阵列的光学特性，研究人员在400–900 nm波长范围内对其每一层进行了光谱检测。如图2f所示，黄色框标出了近红外光学波段，该波段广泛用于光声成像和荧光成像，在此区域内，透明超声换能器阵列的各个组件的光透过率均高于76.8%。制备的透明超声换能器阵列在720 nm处的峰值透光率为72.7%，且在近红外区域的光透过率相对稳定。

研究人员将原型透明超声换能器阵列的声束场与商用不透明超声换能器（64阵元，中心频率8 MHz，带宽60%，型号L12-5A，SonicLab公司）的声束场进行了对比（图2g）。透明超声换能器阵列的信噪比（SNR）和声压分别比商业换能器低1 dB和22 kPa。此外，在测量声场半峰全宽（FWHM）时，透明超声换能器阵列在x轴（横向）和y轴（轴向）上仅分别存在0.03 mm和0.14 mm的微小差异。这些结果表明，透明超声换能器阵列的性能与商用换能器相当，仅存在极小差异。

基于透明超声换能器阵列的三模态成像系统性能基准测试

为了研究基于透明超声换能器阵列的三模态成像（USI/PAI/FLI）系统的潜力，研究人员在体模中对系统性能进行了基准测试（图3）。图3a展示了多模态光-超声探头的示意图。与传统超声换能器类似，该手持式探头体积小巧、操作便捷，便于临床医生使用。光-超声探头由透明超声换能器阵列和光学模块组成。透明超声换能器阵列位于光路末端的同轴位置，实现超声波的同轴发射与接收。位于二向色镜后的近红外相机可捕捉超过800 nm波长范围的清晰视场（FOV）。

图3 基于透明超声换能器阵列的三模态成像系统及其性能基准测试

总体而言，新型光-超声探头比此前报道的带不透明超声换能器的手持PAUS探头更薄、更小、更轻。这些改进归因于声学平面与光学平面的同轴排列，以及显著缩小的激光传输单元——通过将笨重的光纤束替换为单根光纤，不仅减小了体积，还进一步提升了光学耦合效率。

光-超声探头与激光器及数据采集（DAQ）系统相连，构建了一个集成的三模态成像系统。为了评估该光-超声探头在三模态超声成像（图3b和3c）、光声成像（图3d）和荧光成像（图3e）中的性能，研究人员在体模中对每种成像模态进行了实验。

根据图3b，超声成像（USI）的横向分辨率和轴向分辨率分别为0.31 mm和0.39mm，并且横向分辨率随成像深度增加而逐渐降低（图3f）。为评估光声成像性能，研究人员制备了一个组织模拟体模，内嵌黑色尼龙丝，并获取其横截面图像（图3d）。通过尼龙丝的剖面测量光声成像空间分辨率，得到横向分辨率为0.38 mm，轴向分辨率为0.71 mm（图3h）。为了对荧光成像（FLI）性能进行基准测试，研究人员在叠加的鸡肉组织层下对一根填充吲哚菁绿（ICG）的管道进行成像（图3e）。该ICG管在深度达到4.5 mm时仍能清晰显示高强度信号，并在最大深度7.3 mm时仍可被检测到（图3i）。最后研究人员还演示了超声、光声和荧光三种模态同时成像的效果。

综上所述，这项研究研发了一种可实现宽波段光透射的透明超声换能器线阵，并将其无缝集成至手持式光-超声探头中。该探头能够实现实时的三模态成像——超声成像（USI）、光声成像（PAI）和荧光成像（FLI），提供关于声反射、光吸收和荧光的丰富诊断信息。本研究标志着基于透明超声换能器阵列的多模态成像技术在临床医疗应用中的突破。该光-超声探头在淋巴水肿手术引导中展现出显著潜力，并有望拓展至其它临床应用场景。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64827-8

延伸阅读：

《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》

《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》

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