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)

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LiNbO₃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)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(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。