近日，暨南大学物理与光电工程学院（理工学院）教授关柏鸥团队在活体小动物全脑高分辨率功能成像领域取得重要进展。相关研究成果以“用于高分辨率深部脑成像的双频光纤阵列光声计算机断层扫描”为题，发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。

基于双频光纤超声换能器阵列的多光谱PACT系统示意图。研究团队供图

大脑虽仅占体重的2%，但其耗氧量却高达全身的20%。神经元活动高度依赖持续氧供，静息状态下亦保持高代谢水平，缺氧数分钟即可造成不可逆损伤。因此，以高时空分辨率在全脑范围同步观测血管形态与血氧饱和度动态变化，对解析大脑生理机能及病理演变至关重要。然而，现有成像技术或缺乏血氧定量能力，或难以兼顾成像深度与空间分辨率，成为制约脑功能研究与脑疾病防治的关键瓶颈之一。

针对上述难题，关柏鸥团队发明了双频光纤阵列光声计算机断层扫描（PACT）技术。PACT作为一种光学激发、超声探测的新型成像范式，传统方案多采用压电超声换能器，受限于工作带宽窄且焦距固定，导致成像深度与分辨率相互制约。研究团队深耕光纤超声探测20余年，在自主首创的自外差光纤激光超声传感器基础上，创新建立了聚合物涂覆层耦合超声频带调控方法。利用涂覆层与石英包层之间力学谐振特性的差异，成功实现2-3 MHz（聚合物涂层主导）与20–30 MHz（石英包层主导）双频带响应，中心频率跨约一个数量级。同时，团队还开发了无透镜光纤超声聚焦技术，借助光纤天然的柔韧可弯特性，通过几何塑形获得片状超声聚焦，在4 cm工作距离下达到5.2 Pa的超低声压检测限，显著增强深层组织微弱信号的捕获能力；片状聚焦层厚仅约400 μm，有效抑制离面信号干扰，大幅提升了层析成像的清晰度。

基于上述技术突破，研究团队有效化解了光声成像穿透深度与空间分辨率长期矛盾。利用该传感器对小鼠大脑进行连续冠状截面断层扫描，沿前后轴采集五个不同位置的冠状截面光声图像，其融合影像不仅精细呈现大脑皮层微血管分支，还清晰展示了海马、丘脑等深部脑区的血管网络。

进一步地，团队结合双波长光激发与光谱线性解混，实现了小鼠全脑血氧饱和度的实时定量测量。在氧浓度挑战实验中，成功捕捉到小鼠大脑在缺氧、常氧和高氧状态下的血氧动态响应，验证了该系统在多深度层面的功能成像可靠性。

团队还将该技术应用于原位胶质母细胞瘤小鼠模型。成像结果表明，系统能够清晰分辨肿瘤内部紊乱的新生血管网络，并精准显示肿瘤区域的异常高氧合状态；所得图像与T2加权磁共振影像高度吻合，肿瘤边界分明。相较于传统手段，该系统可同步提供肿瘤的解剖结构与功能代谢信息，为早期筛查和疗效评估提供了更全面的多维依据。

该研究提出的双频光纤阵列PACT成像技术，突破了传统压电换能器的固有局限，为全脑尺度血管结构解析与血氧代谢评估开辟了新的技术路径。未来，团队计划进一步增加光纤换能器阵列的阵元数量，以消除机械扫描环节，将成像速度提升至实时水平，从而推动该技术在脑功能基础研究和脑疾病临床诊断中的转化应用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02324-3