光學(xué)超聲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的微尺度應(yīng)用

超聲技術(shù)作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像與治療的核心手段，其安全性與實時性已得到廣泛驗證。然而，傳統(tǒng)壓電超聲換能器受限于材料特性與制造工藝，難以突破高頻帶寬、微型化集成及電磁干擾等瓶頸。近年來，光聲技術(shù)的崛起為超聲領(lǐng)域注入了全新活力——通過光能向聲能的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，光學(xué)超聲技術(shù)以高分辨率、寬頻帶、非接觸式操控等特性，正在重塑生物醫(yī)學(xué)成像與治療的邊界。從單細(xì)胞尺度的神經(jīng)調(diào)控到血管內(nèi)實時成像，從血栓精準(zhǔn)溶解到跨膜藥物遞送，光學(xué)超聲技術(shù)正以顛覆性創(chuàng)新推動臨床診療向微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化邁進(jìn)。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)超聲技術(shù)的困境
超聲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的地位舉足輕重，而壓電換能器是目前產(chǎn)生超聲的主要設(shè)備。但壓電效應(yīng)產(chǎn)生的超聲信號帶寬有限，這極大地限制了高分辨率超聲的應(yīng)用。在對微小病灶的精準(zhǔn)診斷中，有限的帶寬使得成像的清晰度大打折扣，難以滿足臨床需求。

壓電換能器的小型化也困難重重。制造微小結(jié)構(gòu)和形成窄間距的過程極為復(fù)雜，需要應(yīng)用復(fù)雜的切割和填充技術(shù)。而且，隨著壓電換能器面積的減小，其靈敏度會顯著下降，無法實現(xiàn)對微弱信號的有效檢測。此外，高頻超聲波在高精度治療和調(diào)控方面具有關(guān)鍵作用，但高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）在實際應(yīng)用中，由于壓電材料和大孔徑的阻抗不匹配，面臨著諸多挑戰(zhàn)，還存在使周圍健康組織過度暴露于高聲能的風(fēng)險，可能會對健康組織或血管壁造成損傷。

光聲技術(shù)的興起
光聲技術(shù)的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)超聲技術(shù)的難題帶來了新的思路。光聲過程是將光轉(zhuǎn)換為聲波的過程，它兼具超聲技術(shù)優(yōu)異的成像深度和光學(xué)技術(shù)的高分辨率特征。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光聲技術(shù)不僅可以應(yīng)用于成像和分析領(lǐng)域，還提供了一種產(chǎn)生高幅值、高精度超聲的方案，即激光產(chǎn)生超聲（LGUS）。

應(yīng)用于光學(xué)超聲換能器的材料通常由高光吸收系數(shù)的吸收體和高熱膨脹系數(shù)的周圍介質(zhì)組成。光吸收體將光能轉(zhuǎn)化為熱能，隨后，高熱膨脹系數(shù)的周圍介質(zhì)產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲。這種方法可以輕松地使用短脈沖激光產(chǎn)生寬帶高頻超聲信號，并且其電磁免疫的特性更適合應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為超聲技術(shù)的發(fā)展開辟了新的方向。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
光學(xué)超聲技術(shù)的原理揭秘
光學(xué)超聲的原理基于光聲效應(yīng)，當(dāng)光脈沖照射在換能器上，光聲轉(zhuǎn)換層吸收光能后將其轉(zhuǎn)變成熱能，熱能傳遞到周圍介質(zhì)中，通過熱彈性機(jī)制產(chǎn)生聲波。早期的光學(xué)換能器采用無機(jī)材料制備，后來研究人員提出了由無機(jī)材料和有機(jī)材料共同組成的復(fù)合光學(xué)超聲換能器，無機(jī)材料組成高吸光層，有機(jī)材料組成膨脹層，實現(xiàn)了更高效的光-熱-聲能量轉(zhuǎn)換。

光聲效應(yīng)的產(chǎn)生需要滿足熱約束條件和應(yīng)力約束條件。若激光脈寬遠(yuǎn)小于熱弛豫時間，稱為滿足熱約束，此時熱傳導(dǎo)可以忽略不計；若激光脈寬遠(yuǎn)小于壓力弛豫時間，稱為滿足壓力約束，此時壓力傳導(dǎo)可以忽略不計。這兩個重要的時間尺度與光吸收區(qū)域的特征長度有關(guān)，限制了入射光的穿透深度和光學(xué)超聲換能器的設(shè)計厚度。為了獲得高振幅的光聲信號，需要將具有較高熱膨脹系數(shù)的聚合物與高吸光系數(shù)的光吸收材料復(fù)合，以提高光學(xué)超聲的轉(zhuǎn)換效率。

碳基材料如石墨烯、碳納米纖維、炭黑和碳納米管等，因具有寬帶光吸收、高的光熱轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)異的熱導(dǎo)率、低的比熱容和良好的熱擴(kuò)散率，成為研究熱點。膨脹介質(zhì)通常選用PDMS，它具有優(yōu)秀的熱膨脹性能、光學(xué)透明性和化學(xué)惰性，并且擁有與水相當(dāng)?shù)穆曌杩顾�。這些材料的組合，為光學(xué)超聲換能器的性能提升奠定了基礎(chǔ)。

光學(xué)超聲換能器根據(jù)形狀可分為平面型、聚焦型和光纖型。平面型光學(xué)超聲換能器制備工藝簡單，初期用于驗證光聲轉(zhuǎn)換原理，但存在超聲不聚焦、聲壓低的問題。為解決這些問題，可提高光聲材料的光聲轉(zhuǎn)換效率，或通過柔性結(jié)構(gòu)改造將其改為聚焦型器件。

聚焦型光學(xué)超聲換能器為高精度治療和調(diào)控提供了有效解決方案。它利用凹形基板產(chǎn)生超聲，通過自聚焦效應(yīng)在焦點處產(chǎn)生比平面換能器更高的輸出聲壓，聲壓集中，聲焦斑小，可以精準(zhǔn)地對目標(biāo)位置施加超聲，提供更高的分辨率。凹形光學(xué)超聲換能器通常采用一步法、倒模法制作，可應(yīng)用于多種需要高精度和大聲壓的微尺度場景。

光纖型光學(xué)超聲換能器隨著醫(yī)學(xué)手段的進(jìn)步而發(fā)展，它可集成在光纖表面或探頭內(nèi)，實現(xiàn)緊湊的光學(xué)超聲換能器，為探頭的小型化提供了全新解決方案。從光學(xué)超聲發(fā)射的位置來看，光纖型光聲換能器分為端面發(fā)聲光聲換能器和側(cè)壁發(fā)聲光聲換能器，可應(yīng)用于成像、介入式治療、側(cè)視掃描、多點探測等多種場景。

光學(xué)超聲空化治療利用超聲波的強(qiáng)烈沖擊和空化效應(yīng)，可用于軟組織治療、腎結(jié)石碎裂以及細(xì)胞操作等。聚焦光聲脈沖產(chǎn)生的微空化還可用于實現(xiàn)高精度聲波手術(shù)刀，未來有望應(yīng)用于無創(chuàng)手術(shù)。光學(xué)超聲高精度神經(jīng)調(diào)節(jié)作為一種新興的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，為神經(jīng)科學(xué)研究和疾病治療提供了新手段，可實現(xiàn)對神經(jīng)元的精準(zhǔn)刺激和調(diào)節(jié)。

光學(xué)超聲換能器還在工業(yè)檢測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初步探索。傳統(tǒng)的無損檢測常存在超聲帶寬窄和電磁干擾的問題，光學(xué)超聲換能器提供了一種電磁免疫的無損檢測手段，可根據(jù)樣品內(nèi)部缺陷與缺陷邊緣處的超聲回波信號實現(xiàn)對缺陷的定位，為工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量控制提供了新方法。

成像實驗與結(jié)果分析
微型光學(xué)換能器的成像實驗
研究人員在微型光學(xué)換能器的成像實驗方面進(jìn)行了大量探索。2023年，Noimark小組首次使用由CSNP-PDMS制備的光纖換能器記錄了體外腦組織超聲圖像。該實驗中，光纖換能器能夠產(chǎn)生高于3MPa的峰峰值超聲壓力和超過29MHz的帶寬，記錄的羔羊腦組織離體脈沖回波超聲圖像成像深度高達(dá)10mm，最小軸向分辨率為40μm，橫向成像分辨率最小為180μm，清晰地展現(xiàn)了大腦和小腦的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

更多的光學(xué)超聲微型探頭被應(yīng)用于血管內(nèi)超聲成像。2007年，Guo團(tuán)隊提出全光學(xué)超聲換能器，為全光學(xué)在超聲上的應(yīng)用提供了新思路。此后，多個團(tuán)隊相繼使用不同的光聲發(fā)聲裝置以及光學(xué)超聲探測裝置在體外進(jìn)行全光學(xué)超聲成像試驗。2016年，Desjardins團(tuán)隊使用PDMS-MWCNT材料對主動脈進(jìn)行全光學(xué)脈沖回波超聲成像，觀察到了血管膜、血管外膜和血管壁等組織形態(tài)隨深度的變化。2019年，Beard小組使用涂有PDMS-MWCNT復(fù)合涂層的光纖完成了血管內(nèi)超聲成像，實現(xiàn)了優(yōu)于50μm的軸向分辨率和5frame/s的實時成像速率。

光學(xué)超聲成像還具有大深度成像的能力，能夠穿透較深的組織，獲取更全面的信息。結(jié)合實時成像的特性，醫(yī)生可以在手術(shù)過程中實時監(jiān)測組織的變化，提高手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性。光學(xué)超聲技術(shù)的應(yīng)用為臨床診斷和治療帶來了新的突破，具有重要的臨床意義。

總結(jié)與展望
光學(xué)超聲技術(shù)通過材料、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用的三維創(chuàng)新，正逐步突破傳統(tǒng)超聲的物理極限，其高分辨率、寬頻帶、抗電磁干擾等特性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。當(dāng)前研究已證實其在血管內(nèi)成像、神經(jīng)調(diào)控、靶向治療等場景的可行性，可以預(yù)見，隨著光學(xué)、材料、聲學(xué)等多學(xué)科的深度交叉，光學(xué)超聲技術(shù)將逐步從實驗室走向手術(shù)室，成為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的核心工具之一。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。

李琳, 吳凡, 王磊, 王力, 王璞. 光學(xué)超聲微尺度應(yīng)用[J]. 中國激光, 2024, 51(21): 2107201. 

DOI:10.3788/CJL241134.