基于球形陣列的超寬帶光聲顯微技術(shù)實(shí)時(shí)觀測(cè)人體深層微血管
本項(xiàng)重要研究由Pavel V. Subochev、Xosé Luis Deán-Ben、Zhenyue Chen等學(xué)者合作完成，論文題為“Ultrawideband high density polymer-based spherical array for real-time functional optoacoustic micro-angiography”，于2025年7月在《Light: Science & Applications》期刊正式發(fā)表。
重要發(fā)現(xiàn)
01超寬帶聚合物球形矩陣陣列的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種新型球形PVDF陣列，其曲率半徑為15.02毫米，涵蓋512個(gè)獨(dú)立傳感單元，每個(gè)單元面積約為0.95 mm²。該陣列使用25微米厚的PVDF薄膜，借助精密球形模具成型，并通過(guò)真空濺射工藝制作金屬電極。為了應(yīng)對(duì)PVDF單元高阻抗、低電容帶來(lái)的信號(hào)衰減和帶寬壓縮問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了512通道的前置放大器系統(tǒng)，基于雙柵MOSFET晶體管設(shè)計(jì)，增益達(dá)到30 dB，有效帶寬覆蓋0.3–40 MHz。
在性能測(cè)試中，該陣列的噪聲等效壓力（NEP）為1 mPa/√Hz，實(shí)驗(yàn)顯示其在低頻段（0.3–5 MHz）的信噪比較傳統(tǒng)PZT陣列提高了24 dB，中頻段（5–25 MHz）也提高了11 dB。通過(guò)掃描吸收性微球體實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)在橫向和軸向上的分辨率分別達(dá)到35 μm和22 μm。此外，研究者還通過(guò)點(diǎn)源掃描技術(shù)精確標(biāo)定了每個(gè)元件的位置，進(jìn)一步優(yōu)化了三維重建算法的精度。
03多尺度血管成像能力的驗(yàn)證
利用該陣列的超寬帶特性，研究團(tuán)隊(duì)成功在無(wú)需信號(hào)平均的情況下實(shí)現(xiàn)了人體手掌血管網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)三維成像。不僅可清晰顯示深度3–4毫米、直徑大于1毫米的血管，還能分辨出淺表皮膚層中直徑僅37微米的毛細(xì)血管以及汗腺孔等微觀結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)多光譜成像技術(shù)，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)捕捉血氧飽和度的動(dòng)態(tài)變化，甚至可推算慢速靜脈血流的速度，為功能性血管研究提供全新工具。
04大腦血流氧合的功能成像應(yīng)用
在小鼠實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過(guò)非侵入式方式記錄了大腦血管在不同呼吸氣體條件（常氧與高氧）下的氧合變化。借助快速波長(zhǎng)切換（700–850 nm）和實(shí)時(shí)三維重建，系統(tǒng)以0.5秒的時(shí)間分辨率成功捕捉到腦部血氧的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并識(shí)別出直徑僅55 μm的微小血管。此外，通過(guò)對(duì)后肢電刺激誘發(fā)腦血流響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)還能夠同時(shí)獲取氧合血紅蛋白（HbO）、脫氧血紅蛋白（HbR）及總血紅蛋白（HbT）的多參數(shù)動(dòng)態(tài)變化。
創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破傳統(tǒng)陣列的帶寬限制
與主流壓電復(fù)合陣列相比，本研究提出的PVDF球形陣列最大創(chuàng)新點(diǎn)在于其超寬帶檢測(cè)能力（0.3–40 MHz），覆蓋了光聲信號(hào)中的關(guān)鍵低頻與高頻成分。傳統(tǒng)PZT陣列由于帶寬窄、低頻靈敏度不足，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大血管和小微血管的準(zhǔn)確成像，而PVDF材料不僅頻響范圍寬，還具有與生物組織更匹配的聲阻抗，顯著提高了信號(hào)保真度和成像定量能力。
該陣列集成了512個(gè)微型接收單元，并實(shí)現(xiàn)了前置放大電路的緊密耦合，有效解決了高阻抗PVDF單元在傳輸過(guò)程中的信號(hào)衰減問(wèn)題。其低電容特性（約2 pF/單元）使得大面積陣列的設(shè)計(jì)成為可能，而多通道并行采集系統(tǒng)也保障了實(shí)時(shí)體積成像的高時(shí)間分辨率。
03推動(dòng)功能性與分子成像的發(fā)展
該系統(tǒng)不僅具備實(shí)時(shí)三維成像能力，還可通過(guò)多光譜數(shù)據(jù)分解得到HbO與HbR的分布圖，適用于大腦刺激響應(yīng)、腫瘤缺氧研究等多種生物醫(yī)學(xué)場(chǎng)景。其能力遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)僅反映血管形態(tài)的成像方式，為光聲技術(shù)在功能成像和精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
總結(jié)與展望
本研究成功研制出全球首款超寬帶高密度PVDF球形光聲陣列，實(shí)現(xiàn)了多尺度、高分辨率的實(shí)時(shí)體積成像，顯著提升了光聲技術(shù)在血管成像、腦科學(xué)研究及臨床轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用潛力。該技術(shù)不僅在系統(tǒng)帶寬、靈敏度和時(shí)空分辨率方面取得重要突破，還展示了在五維成像方面的巨大優(yōu)勢(shì)，包括快速血氧動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和腦功能活動(dòng)可視化。
展望未來(lái)，這一技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)光聲成像在可穿戴設(shè)備、術(shù)中導(dǎo)航以及精準(zhǔn)醫(yī)療中的廣泛應(yīng)用，尤其有望在腫瘤血管評(píng)估、神經(jīng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)和藥物療效評(píng)價(jià)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著陣列工藝和重建算法的進(jìn)一步優(yōu)化，新一代光聲成像系統(tǒng)將更廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)前沿領(lǐng)域。
論文信息聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Subochev PV, Deán-Ben XL, Chen Z, Prudnikov MB, Vorobev VA, Kurnikov AA, Orlova AG, Postnikova AS, Kharitonov AV, Proyavin MD, Ovsyannikov RI, Sanin AG, Kirillin MY, Montero de Espinosa F, Turchin IV, Razansky D. Ultrawideband high density polymer-based spherical array for real-time functional optoacoustic micro-angiography. Light Sci Appl. 2025 Jul 7;14(1):239.
DOI:10.1038/s41377-025-01894-y.
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