基于透明超声换能器阵列的超声、光声及荧光三模态成像系统

微迷 20260305

这种透明超声换能器阵列被集成于手持式光-超声探头，能够实现实时的三模态成像——超声成像（USI）、光声成像（PAI）和荧光成像（FLI），提供关于声反射、光吸收和荧光的丰富诊断信息。

基于透明超声换能器阵列的超声、光声及荧光三模态成像系统

融合光学与超声成像的技术方案为医疗诊断提供了多维度的数据支持。然而，传统超声系统所依赖的不透明换能器在集成光学模块时，往往会带来结构复杂与体积庞大的问题，进而限制了两种模态的协同效率。透明超声换能器（TUT）通过其光学透射能力，实现了光路与声束路径的无干扰融合，从而在多模态成像领域展现出独特优势，但目前其在临床应用中仍较为罕见。

据麦姆斯咨询报道，韩国浦项科技大学（POSTECH）、庆北国立大学及首尔大学医学院的研究团队近期开发出一款基于线性透明超声换能器阵列的三模态成像系统，涵盖超声、光声和荧光三种成像方式。该系统配置64通道结构，中心频率为7 MHz，同时在近红外波段实现了72.7%的光透过率。其配套的手持式光-超声探头将透明换能器、微型摄像机与光纤以同轴方式集成，形成紧凑结构，为临床操作提供了便利。

实验表明，该三模态成像系统能够对活体动物、健康个体及淋巴水肿患者的皮下组织、血管和淋巴系统进行实时成像，并成功用于指导淋巴静脉吻合手术。研究指出，该原型系统在显微外科操作中具备广泛的应用前景，为多模态成像技术的临床推广奠定了基础。相关成果以“Clinical ultrasound, photoacoustic, and fluorescence image-guided lymphovenous anastomosis microsurgery via a transparent ultrasound transducer array”为题，发表于Nature Communications。

透明超声换能器阵列的制备

透明超声换能器阵列的制造流程包含五个关键步骤：独立层的制备、层压集成、固化处理、切割成阵元通道，以及声透镜涂覆。压电材料选用的是PMN-PT，因其具备高机电耦合系数（约0.6）、高电致伸缩系数（约1190 pC/N）和低声速（约4600 m/s），在小尺寸阵元中仍能保持良好声学性能。尽管该材料本身具有一定透明性，但为提升光学透过率，还需进行精密研磨与抛光。

换能器阵列的两面均镀有氧化铟锡（ITO）作为透明电极，边缘部分则通过添加金条带来提高电连接效率。图1a展示了该制造流程的示意图，而图1c则提供了从正反两面拍摄的阵列照片。从背面视图可见，阵列区域的高透明度使得背景文字清晰可见，放大图像中还可辨认出独立阵元。

透明超声换能器阵列的声学与光学特性

研究人员通过脉冲回波测试对换能器阵列的声学性能进行了评估，结果显示其脉冲响应波形衰减适中，持续时间小于1 μs，中心频率为7 MHz，带宽为45%。在频率响应测试中，谐振频率（fr）和反谐振频率（fa）分别出现在6.53 MHz与7.54 MHz附近，有效机电耦合系数（keff）为0.5，与KLM模型的仿真预测结果高度一致。

光学性能方面，研究人员在400–900 nm范围内对各层材料进行了透光率测试。图2f显示，在近红外波段（800 nm附近），换能器阵列的透过率超过76.8%，在720 nm波长处达到72.7%的峰值。与商用不透明换能器相比，该阵列在信噪比、声压及声束半峰全宽（FWHM）方面仅存在微小差异，表明其成像能力已接近行业标准。

三模态成像系统的性能测试

为验证三模态成像系统的综合性能，研究人员在体模中进行了系统基准测试。光-超声探头由透明换能器与光学模块组成，其设计兼顾了小型化与操作便利性。光路与声路的同轴布局有效提升了成像精度，而采用单根光纤替代传统光纤束的设计，则进一步优化了光学耦合效率。

测试结果显示，超声成像的横向与轴向分辨率达0.31 mm与0.39 mm，光声成像对尼龙丝的分辨率分别为0.38 mm与0.71 mm，而荧光成像则能检测到深度达7.3 mm的荧光信号。图3展示了该系统在不同成像模态下的性能表现，以及多模态同时成像的整合效果。

这项研究成功开发出一款线性透明超声换能器阵列，并将其集成至手持探头中，从而实现超声、光声与荧光三模态的实时成像。该系统在淋巴水肿手术中的实际应用表明，它有望在未来拓展至其他显微外科操作中。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64827-8

延伸阅读

  • 《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
  • 《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
  • 《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》

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