导语

在精准医学时代，介入放射学（IR）对实时、安全、结构-功能融合的成像技术提出了更高要求。光声断层成像（PAT）因其兼具光学对比度和超声分辨率，成为介入导航的有力工具。然而，传统超声换能器的不透明性限制了光声系统的一体化集成。近日，广东工业大学纪轩荣教授、曾吕明副研究员和程中文博士团队一项发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》上的研究提出了一种新型透明超声换能器（TUT）线性阵列，成功实现了实时、高分辨、多模态融合的介入式光声导航，为临床微创手术提供了全新解决方案。

Junwei Wu, Zhongwen Cheng, Chen Liang, Yan Chen, Lvming Zeng, Xuanrong Ji. Transparent high-frequency ultrasound transducer array for real-time interventional photoacoustic guidance. Journal of Innovative Optical Health Sciences (2025) 2540003. DOI: 10.1142/S1793548525400036

正文

研究背景

目前临床常用的超声、CT、MRI等影像引导技术各有局限：超声缺乏功能性信息，CT和X射线存在辐射风险，MRI成本高昂且实时性不足。光声成像结合了激光激发与超声检测，能够同时提供结构与功能信息，尤其适合引导穿刺、药物注射等操作。然而，传统超声换能器不透明，迫使光声系统采用倾斜照明，导致光声场错位、成像深度受限、系统复杂。

技术突破

本研究团队设计并制备了一种基于透明铌酸锂（LNO）的32阵元高频超声换能器线性阵列，中心频率为10 MHz，阵元间距0.3 mm。该换能器在可见光和近红外波段（如532 nm和808 nm）均保持约65%以上的透光率，实现了光声同轴共路，显著简化系统光路。

系统构建与性能

作者将该TUT阵列集成到一套实时PAT系统中，采用OPO脉冲激光（680-1064 nm）、128通道数据采集系统和FPGA同步控制。系统实现了：

1.横向分辨率：378.2 μm

2.轴向分辨率：599.1 μm

3.成像速度：0.05秒/帧

4.成像深度：≥14.12 mm

图2：基于TUT阵列的光声成像系统示意图

图4：TUT-PAT系统的成像分辨率与深度评估。（a）钨丝的光声图像，用于评估系统分辨率；（b）嵌有碳棒的鸡胸组织照片（成像深度测试样本）；（c）横向分辨率曲线（FWHM = 378.2 μm）；（d）碳棒在鸡胸组织中的光声图像，可清晰分辨其中7根；（e）轴向分辨率曲线（FWHM = 599.1 μm）；（f）光声信号强度随成像深度衰减趋势图，最大可探测深度 ≥14.12 mm。

应用验证：实时引导染料注射

研究团队在离体鸡胸组织中模拟了穿刺与ICG染料注射过程。结果显示：

超声图像（图5b）可清晰定位穿刺针位置；

光声图像（图5c、5d）可实时捕捉ICG释放与扩散过程；

多模态融合图像（图5e、5f）实现了组织、针尖、造影剂的三重可视化。

图5：TUT-PAT系统引导鸡胸组织中ICG染料注射实验。（a）穿刺导航实验示意图；（b）超声图像显示穿刺针在组织中的位置；（c）注射前无光声信号；（d）注射后ICG染料在针尖区域产生显著光声增强；（e）超声与针尖光声图像融合，可精准定位针尖；（f）三模态融合图像（组织超声 + 针尖PA + ICG-PA），实现结构、器械与药物的同步可视化。

主要创新点

• 首创透明LNO高频阵列：在保证光透明性的同时，具备优异的电声性能与低串扰（-30.7 ~ -32.1 dB）。

• 光声同轴共路设计：无需复杂光学耦合器，简化系统结构，提升成像信噪比与均匀性。

• 实时多模态融合成像：联合超声结构信息与光声功能信息，实现组织、针具、药物三者的同步可视化。

• 深度与分辨率兼顾：10 MHz中心频率下实现>14 mm成像深度，突破传统高频系统的深度限制。

应用前景

• 介入放射学导航：精准引导穿刺、活检、药物注射等操作；

• 多模态内窥成像：可与荧光、OCT等技术融合，构建一体化诊疗系统；

• 术中实时监测：适用于肿瘤消融、血管介入等动态过程；

• 可穿戴与柔性成像：未来可拓展至柔性透明换能器阵列，贴合复杂组织表面。

结语

本研究成功开发了一种高性能透明高频超声换能器阵列，并构建了实时光声成像系统，显著提升了介入式光声导航的实用性与成像质量。该技术不仅克服了传统不透明换能器的固有局限，也为多模态医学影像融合提供了新的硬件基础。随着更高阵元数、更宽带宽和多光谱能力的引入，TUT阵列有望成为下一代精准介入成像的核心组件。

通讯作者简介

程中文 博士

广东工业大学精密电子制造技术与装备国家重点实验室

研究方向：光声成像、超声换能器、生物医学光子学

Email: cheng_zhong_wen@163.com