超聲傳感器在光聲成像中的應(yīng)用進(jìn)展

在光聲成像的整個體系里，超聲傳感器堪稱核心“主角”之一，其性能優(yōu)劣直接關(guān)乎成像的質(zhì)量與效果。目前，占據(jù)市場主導(dǎo)地位的壓電超聲換能器，在尺寸縮小的過程中卻遭遇了“滑鐵盧”，探測性能大打折扣，難以滿足不斷攀升的成像需求。在此背景下，小型化光學(xué)超聲傳感器強(qiáng)勢“出道”，憑借自身獨特的優(yōu)勢，成為科研領(lǐng)域的“新寵”，吸引了眾多研究者的目光，有望為光聲成像帶來新的突破與變革。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
壓電超聲換能器的困境
在光聲成像技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，壓電超聲換能器起初憑借其成熟的技術(shù)和商業(yè)化的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于光聲顯微成像（PAM）和光聲計算斷層掃描成像（PACT）。壓電超聲換能器最初是為超聲成像而開發(fā)，工作在脈沖回波模式，與光聲成像的原理有所不同，在光聲成像中超聲波由脈沖激光或脈沖微波激發(fā)產(chǎn)生。

壓電超聲換能器的不透明性成為一大阻礙。在光聲成像過程中，這一特性不僅干擾光學(xué)激發(fā)，還增加了光學(xué)校準(zhǔn)的難度，在光聲耦合時會造成信號損失。在進(jìn)行深層組織成像時，不透明的壓電超聲換能器可能阻擋部分激發(fā)光的傳播，影響成像的準(zhǔn)確性。

微型化需求與壓電超聲換能器的性能矛盾日益凸顯。隨著光聲內(nèi)窺鏡（PAE）和PACT等應(yīng)用對設(shè)備微型化的要求越來越高，壓電超聲換能器的靈敏度與感應(yīng)面積的平方根成比例下降，直接減小其尺寸會導(dǎo)致性能急劇降低，無法滿足實際應(yīng)用需求。在PAE中，若使用尺寸較小的壓電超聲換能器，其檢測微弱超聲信號的能力會大幅減弱，影響成像的清晰度和準(zhǔn)確性。

近幾十年來，研究者們積極投身于光學(xué)超聲傳感器的開發(fā)，期望能替代傳統(tǒng)的壓電超聲換能器。光學(xué)超聲傳感器工作帶寬大，能夠捕捉更豐富的超聲信號頻率信息，有助于提升成像分辨率。其靈敏度與尺寸幾乎無關(guān)，在微型化的同時仍能保持良好的性能，這為光聲成像的進(jìn)一步發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
基于光學(xué)微諧振腔的傳感器原理
各類光學(xué)超聲傳感器的基本原理是通過測量光學(xué)參數(shù)的時域變化來反映超聲波的時域信號強(qiáng)度。超聲波作為一種物質(zhì)波，會引起所處環(huán)境光學(xué)性質(zhì)的改變，光學(xué)超聲傳感器正是利用這一特性，將超聲波信號轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號，再通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測。與壓電超聲換能器直接將超聲波能量轉(zhuǎn)換為電能不同，光學(xué)超聲傳感器依賴于從超聲波到光波再到電能的轉(zhuǎn)換過程，其探測極限通常由光電探測器的探測極限決定。在實際應(yīng)用中，這種轉(zhuǎn)換方式為提高傳感器性能提供了更多的可能性。

Zhang等人設(shè)想的基于波分復(fù)用的尋址方式，需要大量的光源-探測器對或頻率掃描源，操作繁瑣。Hazan等人使用相位調(diào)制脈沖實現(xiàn)多通道并行檢測，但系統(tǒng)最多僅容納4個微環(huán)，且每個檢測通道仍需一個光電探測器，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。Pan等人開發(fā)的數(shù)字光學(xué)頻率梳（DOFC）技術(shù)取得了重要突破。該技術(shù)可穩(wěn)定、靈活和可調(diào)諧地探測傳感器陣列的傳輸光譜。通過DOFC技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器陣列傳輸光譜的并行探測，確定到達(dá)每個光學(xué)微環(huán)的超聲波時域強(qiáng)度信息，為光聲成像的快速發(fā)展提供了有力支持。

成像實驗與結(jié)果分析
微型前視內(nèi)窺成像實驗
為推動PAI的臨床應(yīng)用，微型PAE設(shè)備的開發(fā)成為研究熱點。微型PAE設(shè)備可在微創(chuàng)情況下評估多種疾病，如前列腺癌、結(jié)直腸癌和冠狀動脈疾病等，還能在腹腔鏡手術(shù)中協(xié)助指導(dǎo)介入手術(shù)。研究者們開發(fā)的微型前視三維光學(xué)超聲傳感器，包含帶有法布里-珀羅傳感器的相干光纖束對離體鴨胚進(jìn)行成像。結(jié)果顯示，絨毛尿囊膜的精細(xì)毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)和直徑約50 µm的血管清晰可見，實現(xiàn)了高分辨率成像。

該傳感器還用于對五周大的小鼠腹部皮膚微血管進(jìn)行成像，在深約2 mm處呈現(xiàn)出豐富的血管信息，血管直徑范圍從53 µm到180 µm不等。使用直徑較小的多模光纖（MMFs）開發(fā)微型PAE傳感器更具前景。Zhao等人使用直徑為140 µm的MMF傳遞激發(fā)光，結(jié)合高靈敏度光學(xué)超聲傳感器探測光聲信號，通過數(shù)字微鏡器件進(jìn)行波前調(diào)控，實現(xiàn)了MMF末端焦點光斑的快速掃描，獲取了小鼠紅細(xì)胞的光聲圖像。

研究者們對小鼠進(jìn)行了長達(dá)28天的長期活體PAM成像，期間微環(huán)傳感器的品質(zhì)因數(shù)下降極小，證實了usCCW在體內(nèi)應(yīng)用中的高穩(wěn)定性。成像結(jié)果展示了相同區(qū)域的皮質(zhì)血管隨時間的演變，包括手術(shù)后的出血情況以及新血管的生成過程，為研究大腦血管的生理和病理變化提供了有力的工具。

總結(jié)與展望
小型化光學(xué)超聲傳感器在光聲成像領(lǐng)域意義重大�？蒲猩�，其高靈敏度和大帶寬特性助力深入探究生物組織微觀結(jié)構(gòu)與功能，推動生命科學(xué)基礎(chǔ)研究。臨床應(yīng)用中，雖活體成像演示較少，但潛力巨大。憑借高分辨率成像，有望在疾病早期診斷中發(fā)現(xiàn)微小病變，微型前視內(nèi)窺和植入式體內(nèi)皮質(zhì)成像，可為微創(chuàng)手術(shù)提供精準(zhǔn)實時引導(dǎo)，提高手術(shù)成功率與安全性。該傳感器發(fā)展前景廣闊。研究人員將優(yōu)化設(shè)計與制備工藝，提升靈敏度、穩(wěn)定性和成像分辨率，拓展深層組織成像應(yīng)用。同時，持續(xù)探索更高效的并行尋址技術(shù)，滿足高速成像需求。此外，與人工智能、大數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)智能化成像分析，自動識別和診斷病變組織，為臨床提供更有價值的診斷建議，為人類健康事業(yè)貢獻(xiàn)力量。

DOI:10.3788/LOP232279.