研究進(jìn)展：透明超聲換能器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦部微血管動(dòng)態(tài)_abio生物試劑品牌網(wǎng)
在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，光聲成像（PAI）作為一種融合了光學(xué)成像豐富對(duì)比度和超聲成像深層穿透能力的非侵入性功能成像技術(shù)，正逐漸成為基礎(chǔ)研究和臨床診斷的有力工具。從血管網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)描繪到皮膚、腫瘤和大腦等領(lǐng)域的深入探究，光聲成像以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)為科學(xué)家和醫(yī)生提供了前所未有的洞察力。盡管這一技術(shù)前景廣闊，但在實(shí)現(xiàn)毛細(xì)血管級(jí)分辨率、寬視場(chǎng)和高幀率成像方面，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法依賴機(jī)械掃描來(lái)擴(kuò)展成像區(qū)域，這種笨重且速度受限的方式嚴(yán)重制約了動(dòng)態(tài)體內(nèi)研究的進(jìn)展。透明超聲換能器（TUTs）的出現(xiàn)為克服這些難題帶來(lái)了曙光，它們?cè)试S光學(xué)波無(wú)損通過(guò)，同時(shí)保留超聲功能，為光聲成像技術(shù)的革新鋪平了道路。
研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
光聲成像的崛起與瓶頸
光聲成像結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)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(xué)和腦科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)現(xiàn)毛細(xì)血管級(jí)分辨率、寬視場(chǎng)和高幀率方面存在明顯不足。傳統(tǒng)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(chǎng)有限，通常僅為幾十微米。為了覆蓋更大的成像區(qū)域，系統(tǒng)不得不依賴機(jī)械掃描，這種方式不僅設(shè)備笨重，而且成像速度受限于機(jī)械掃描速率，難以滿足動(dòng)態(tài)體內(nèi)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(zhàn)提供了新思路。TUTs允許光學(xué)波無(wú)損通過(guò)，同時(shí)保留超聲檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)照明和超聲檢測(cè)的無(wú)縫集成，消除了傳統(tǒng)聲光耦合器的需求，顯著縮小了設(shè)備體積，使其適合可穿戴應(yīng)用。此外，TUTs提供了寬廣的視場(chǎng)，允許從傳感元件頂部進(jìn)行二維激光掃描，突破了幾何限制。然而，現(xiàn)有TUTs的性能相對(duì)較低，帶寬僅為10-60%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)超聲換能器的80%以上，導(dǎo)致回波信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，軸向分辨率降低。同時(shí)，現(xiàn)有TUTs的靈敏度較低，信噪比（SNR）難以滿足高對(duì)比度光聲成像的需求。
材料與制造工藝的雙重困境
現(xiàn)有透明壓電材料（如PVDF聚合物和LiNbO?晶體）的介電和機(jī)電性能顯著遜色于傳統(tǒng)換能器材料（如PZT壓電陶瓷），限制了TUTs的設(shè)計(jì)。此外，傳統(tǒng)高頻換能器制造策略與透明度要求不兼容。例如，銀載環(huán)氧樹(shù)脂雖常用于高頻壓電晶體/陶瓷基換能器的內(nèi)匹配層，但其不透明性使其無(wú)法應(yīng)用于TUTs制造。盡管研究者們已嘗試開(kāi)發(fā)各種透明匹配層，但現(xiàn)有方法仍難以彌合TUTs與傳統(tǒng)高頻換能器之間的性能差距。
技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
透明壓電晶體的革新
研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種透明超聲換能器。通過(guò)交流電場(chǎng)極化處理消除光散射鐵電疇壁，實(shí)現(xiàn)了晶體的高光學(xué)透明度。與傳統(tǒng)LiNbO?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(cè)靈敏度上提升了四倍，信噪比提高了13分貝，為毛細(xì)血管級(jí)光聲成像提供了有力支持。
研究者采用石英玻璃和環(huán)氧樹(shù)脂匹配層設(shè)計(jì)，結(jié)合低電阻的 ITO電極和黃銅環(huán)基結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了高工作頻率（約30MHz）、寬頻帶（約80%）和優(yōu)異的脈沖回波靈敏度。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅優(yōu)化了聲學(xué)匹配層，還解決了小型壓電晶體的布線難題，同時(shí)最大化了光傳輸?shù)挠行Ч馊Α?/span>
多模態(tài)融合成像的無(wú)限可能
PIN-PMN-PT 的 透明超聲換能器與各種光學(xué)顯微成像技術(shù)（如共聚焦、雙光子和光學(xué)相干層析成像）具有出色的兼容性，為多模態(tài)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(jié)構(gòu)和功能提供了更強(qiáng)大的工具。
成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
小鼠耳部血管成像的卓越表現(xiàn)利用 PIN-PMN-PT 的 透明超聲換能器對(duì)小鼠耳部血管進(jìn)行成像，結(jié)果令人矚目。該換能器成功捕捉到了 4毫米×4毫米區(qū)域內(nèi)的微血管網(wǎng)絡(luò)，清晰展現(xiàn)了毛細(xì)血管的復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)。與LiNbO? 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(cè)到更多細(xì)節(jié)，最小可分辨血管直徑達(dá) 13微米，信噪比高達(dá)18分貝，比LiNbO? 的 透明超聲換能器高出 13分貝。
藥物誘導(dǎo)癲癇小鼠大腦皮層微血管動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
在對(duì)藥物誘導(dǎo)癲癇的小鼠進(jìn)行大腦皮層微血管動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)， PIN-PMN-PT 的 透明超聲換能器展現(xiàn)了其在血流動(dòng)力學(xué)研究中的巨大潛力。通過(guò)快速二維激光掃描，該換能器以 0.8赫茲的幀率動(dòng)態(tài)記錄了小鼠大腦皮層微血管的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在癲癇發(fā)作期間，血管直徑經(jīng)歷了急劇的收縮和擴(kuò)張周期，從30微米收縮至15微米，再擴(kuò)張至50微米，最后恢復(fù)至原始大小。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了癲癇發(fā)作期間微血管的動(dòng)態(tài)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(zhì)量的雙重提升
與傳統(tǒng)機(jī)械掃描技術(shù)相比， PIN-PMN-PT 的 透明超聲換能器顯著減少了圖像采集時(shí)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(shí)間從傳統(tǒng)技術(shù)的數(shù)十秒縮短至1.25秒，速度提升了30倍以上。同時(shí)，成像質(zhì)量并未因速度的提升而受損，展現(xiàn)了高穩(wěn)定性和優(yōu)異的成像效果。
總結(jié)與展望
研究通過(guò)開(kāi)發(fā)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(xiàn)有TUTs在靈敏度和帶寬方面的局限，為光聲成像技術(shù)帶來(lái)了革命性突破。這種換能器不僅實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)血管級(jí)的高分辨率成像，還通過(guò)顯著提高信噪比和成像速度，為動(dòng)態(tài)體內(nèi)研究提供了前所未有的工具。從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用，這一技術(shù)突破有望推動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步，為醫(yī)學(xué)成像開(kāi)辟新的可能性。
論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)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.
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