基于球形陣列的超寬帶光聲顯微技術實時觀測人體深層微血管
本項重要研究由Pavel V. Subochev、Xosé Luis Deán-Ben、Zhenyue Chen等學者合作完成，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》期刊正式發表。
重要發現
01超寬帶聚合物球形矩陣陣列的設計與實現
研究團隊設計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個獨立傳感單元，每個單元面積約為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，并通過真空濺射工藝制作金屬電極。為了應對PVDF單元高阻抗、低電容帶來的信號衰減和帶寬壓縮問題，團隊開發了512通道的前置放大器系統，基于雙柵MOSFET晶體管設計，增益達到30 dB，有效帶寬覆蓋0.3–40 MHz。
在性能測試中，該陣列的噪聲等效壓力（NEP）為1 mPa/√Hz，實驗顯示其在低頻段（0.3–5 MHz）的信噪比較傳統PZT陣列提高了24 dB，中頻段（5–25 MHz）也提高了11 dB。通過掃描吸收性微球體實驗，系統在橫向和軸向上的分辨率分別達到35 μm和22 μm。此外，研究者還通過點源掃描技術精確標定了每個元件的位置，進一步優化了三維重建算法的精度。
03多尺度血管成像能力的驗證
利用該陣列的超寬帶特性，研究團隊成功在無需信號平均的情況下實現了人體手掌血管網絡的實時三維成像。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微米的毛細血管以及汗腺孔等微觀結構。此外，通過多光譜成像技術，系統能實時捕捉血氧飽和度的動態變化，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用
在小鼠實驗中，研究人員通過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。借助快速波長切換（700–850 nm）和實時三維重建，系統以0.5秒的時間分辨率成功捕捉到腦部血氧的動態變化過程，并識別出直徑僅55 μm的微小血管。此外，通過對后肢電刺激誘發腦血流響應實驗，系統還能夠同時獲取氧合血紅蛋白（HbO）、脫氧血紅蛋白（HbR）及總血紅蛋白（HbT）的多參數動態變化。
創新與亮點
01突破傳統陣列的帶寬限制
與主流壓電復合陣列相比，本研究提出的PVDF球形陣列最大創新點在于其超寬帶檢測能力（0.3–40 MHz），覆蓋了光聲信號中的關鍵低頻與高頻成分。傳統PZT陣列由于帶寬窄、低頻靈敏度不足，難以同時實現大血管和小微血管的準確成像，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，顯著提高了信號保真度和成像定量能力。
該陣列集成了512個微型接收單元，并實現了前置放大電路的緊密耦合，有效解決了高阻抗PVDF單元在傳輸過程中的信號衰減問題。其低電容特性（約2 pF/單元）使得大面積陣列的設計成為可能，而多通道并行采集系統也保障了實時體積成像的高時間分辨率。
03推動功能性與分子成像的發展
該系統不僅具備實時三維成像能力，還可通過多光譜數據分解得到HbO與HbR的分布圖，適用于大腦刺激響應、腫瘤缺氧研究等多種生物醫學場景。其能力遠超越傳統僅反映血管形態的成像方式，為光聲技術在功能成像和精準醫療領域的應用奠定基礎。
總結與展望
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，實現了多尺度、高分辨率的實時體積成像，顯著提升了光聲技術在血管成像、腦科學研究及臨床轉化中的應用潛力。該技術不僅在系統帶寬、靈敏度和時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勢，包括快速血氧動態監測和腦功能活動可視化。
展望未來，這一技術的發展將推動光聲成像在可穿戴設備、術中導航以及精準醫療中的廣泛應用，尤其有望在腫瘤血管評估、神經活動監測和藥物療效評價中發揮關鍵作用。隨著陣列工藝和重建算法的進一步優化，新一代光聲成像系統將更廣泛應用于生物醫學前沿領域。
論文信息聲明：本文僅用作學術目的。
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.
