透明超聲換能器革新內窺鏡技術：長距離高精度雙模態成像

在醫學影像領域，內窺鏡超聲（EUS）因其高分辨率成像能力，已成為消化道疾病診斷的基石。然而，傳統EUS依賴聲學對比度，對軟組織的功能性成像存在明顯局限。近年來，光聲超聲雙模態內窺鏡（ePAUS）的提出雖為突破帶來曙光，但現有技術普遍面臨同軸光聲束難以對齊、超聲圖像質量低下等問題，導致設備難以滿足臨床需求。

韓國浦項科技大學研究團隊發表的最新成果，通過開發全球最小透明超聲換能器（TUT），成功構建直徑僅1.8毫米的ePAUS-TUT探針。該技術不僅實現光聲與超聲束的完美同軸，更在活體豬食管成像中展現出媲美商用超聲的分辨率，同時突破光聲成像12毫米的遠距離工作極限。這項突破標志著內窺鏡成像正式邁入高精度雙模態時代，為消化道早癌篩查、血管病變評估等臨床場景提供了全新工具。

研究背景與技術挑戰
雙模態成像的臨床價值與現存瓶頸
光聲超聲雙模態內窺鏡（ePAUS）通過整合光聲的功能性成像與超聲的結構性信息，理論上可同時獲取組織血管網絡、氧飽和度與解剖分層數據。例如，在食管癌篩查中，光聲成像可捕捉黏膜層內乳頭狀毛細血管環（IPCLs）的異常增生，而超聲則能清晰顯示腫瘤浸潤深度，二者協同可大幅提升早期病變檢出率。然而，現有ePAUS探針受限于三大技術瓶頸：探針直徑需適配標準內鏡通道（<2.5毫米）、光聲長工作距離需求與超聲圖像質量的矛盾、光聲束與聲學孔徑的物理沖突。

技術創新與應用
透明超聲換能器的設計原理
研究團隊創新性地采用透明壓電材料（PMN-PT）設計了一種微型化透明超聲換能器（TUT）。該換能器直徑僅1毫米，厚度0.47毫米，具備61%的寬帶寬（中心頻率21MHz），實現了聲學與光學束的完美同軸對齊。通過在換能器路徑中直接集成光學模塊，避免了傳統環形換能器的側瓣效應和光學-聲學束組合器的多重反射問題，從而在微型探頭內同時實現了商業級超聲成像和高靈敏度光聲成像。

探針的集成與優化
ePAUS-TUT系統通過將TUT與光學模塊（包括多模光纖、梯度折射率透鏡和直角棱鏡）集成在一個1.8毫米直徑的探頭內，實現了光聲與超聲信號的同步采集。系統采用準光學分辨率模式，在保證長工作距離（12毫米）的同時，通過優化光束傳輸路徑和匹配層設計，將光聲橫向分辨率提升至91微米（2毫米距離），軸向分辨率穩定在70微米。超聲成像的橫向分辨率為110微米（5.4毫米距離），軸向分辨率為62微米，與商業級EUS系統相當。

成像實驗與結果分析
大鼠直腸的在體成像
研究團隊在大鼠直腸中驗證了ePAUS-TUT的成像能力。實驗中，光聲信號清晰顯示了直腸壁的血管網絡分布，包括淺表毛細血管和深層動脈靜脈網絡。超聲圖像則能夠分辨超過12毫米深度的解剖結構，例如骨盆底肌肉和恥骨的強回聲特征。通過深度編碼的光聲最大振幅投影（MAP）圖像，研究團隊觀察到從表層上皮到深層黏膜的血管層級結構，證實了系統在分析腸道血管異常中的潛力。

總結與展望
ePAUS-TUT技術通過透明超聲換能器的創新設計，突破了傳統雙模態內窺鏡的性能瓶頸，實現了商業級超聲成像與高靈敏度光聲成像的協同優化。其微型化、長工作距離和高信噪比的特性使其能夠滿足臨床對多功能內窺鏡的需求，尤其在早期癌癥篩查、腫瘤侵襲深度評估和血管異常分析等方面展現出巨大潛力。該技術有望與光學相干斷層掃描（OCT）、熒光成像等模態融合，構建多模態成像平臺。此外，前視型探頭設計和功能性光聲成像（如血氧飽和度動態監測）也將成為重要發展方向。可以預見，這項技術將為肺部、泌尿系統和心血管疾病的精準診斷提供全新工具，推動內窺成像技術邁向新的高度。

DOI:10.1126/sciadv.adq9960.