透明超聲換能器革新內(nèi)窺鏡技術(shù)：長距離高精度雙模態(tài)成像

在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，內(nèi)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(tǒng)EUS依賴聲學(xué)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(tài)內(nèi)窺鏡（ePAUS）的提出雖為突破帶來曙光，但現(xiàn)有技術(shù)普遍面臨同軸光聲束難以對齊、超聲圖像質(zhì)量低下等問題，導(dǎo)致設(shè)備難以滿足臨床需求。

韓國浦項科技大學(xué)研究團隊發(fā)表的最新成果，通過開發(fā)全球最小透明超聲換能器（TUT），成功構(gòu)建直徑僅1.8毫米的ePAUS-TUT探針。該技術(shù)不僅實現(xiàn)光聲與超聲束的完美同軸，更在活體豬食管成像中展現(xiàn)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(nèi)窺鏡成像正式邁入高精度雙模態(tài)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(shù)挑戰(zhàn)
雙模態(tài)成像的臨床價值與現(xiàn)存瓶頸
光聲超聲雙模態(tài)內(nèi)窺鏡（ePAUS）通過整合光聲的功能性成像與超聲的結(jié)構(gòu)性信息，理論上可同時獲取組織血管網(wǎng)絡(luò)、氧飽和度與解剖分層數(shù)據(jù)。例如，在食管癌篩查中，光聲成像可捕捉黏膜層內(nèi)乳頭狀毛細血管環(huán)（IPCLs）的異常增生，而超聲則能清晰顯示腫瘤浸潤深度，二者協(xié)同可大幅提升早期病變檢出率。然而，現(xiàn)有ePAUS探針受限于三大技術(shù)瓶頸：探針直徑需適配標準內(nèi)鏡通道（<2.5毫米）、光聲長工作距離需求與超聲圖像質(zhì)量的矛盾、光聲束與聲學(xué)孔徑的物理沖突。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
透明超聲換能器的設(shè)計原理
研究團隊創(chuàng)新性地采用透明壓電材料（PMN-PT）設(shè)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(xiàn)了聲學(xué)與光學(xué)束的完美同軸對齊。通過在換能器路徑中直接集成光學(xué)模塊，避免了傳統(tǒng)環(huán)形換能器的側(cè)瓣效應(yīng)和光學(xué)-聲學(xué)束組合器的多重反射問題，從而在微型探頭內(nèi)同時實現(xiàn)了商業(yè)級超聲成像和高靈敏度光聲成像。

探針的集成與優(yōu)化
ePAUS-TUT系統(tǒng)通過將TUT與光學(xué)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(nèi)，實現(xiàn)了光聲與超聲信號的同步采集。系統(tǒng)采用準光學(xué)分辨率模式，在保證長工作距離（12毫米）的同時，通過優(yōu)化光束傳輸路徑和匹配層設(shè)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(wěn)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(yè)級EUS系統(tǒng)相當(dāng)。

成像實驗與結(jié)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(wǎng)絡(luò)分布，包括淺表毛細血管和深層動脈靜脈網(wǎng)絡(luò)。超聲圖像則能夠分辨超過12毫米深度的解剖結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，證實了系統(tǒng)在分析腸道血管異常中的潛力。

總結(jié)與展望
ePAUS-TUT技術(shù)通過透明超聲換能器的創(chuàng)新設(shè)計，突破了傳統(tǒng)雙模態(tài)內(nèi)窺鏡的性能瓶頸，實現(xiàn)了商業(yè)級超聲成像與高靈敏度光聲成像的協(xié)同優(yōu)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(nèi)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(xiàn)出巨大潛力。該技術(shù)有望與光學(xué)相干斷層掃描（OCT）、熒光成像等模態(tài)融合，構(gòu)建多模態(tài)成像平臺。此外，前視型探頭設(shè)計和功能性光聲成像（如血氧飽和度動態(tài)監(jiān)測）也將成為重要發(fā)展方向。可以預(yù)見，這項技術(shù)將為肺部、泌尿系統(tǒng)和心血管疾病的精準診斷提供全新工具，推動內(nèi)窺成像技術(shù)邁向新的高度。

DOI:10.1126/sciadv.adq9960.