导读

近日，来自苏黎世大学的Daniel Razansky教授团队，及来自俄罗斯科学院应用物理研究所的Pavel V. Subochev等研究人员，开发了一种基于柔性聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜的高密度球形阵列技术，该技术覆盖0.3-40 MHz超宽频带，实现了22-35 μm的空间分辨率，以及高图像保真度，信噪比相较压电复合材料提升一个数量级。并通过结合光谱、时间分辨、体积成像，实现了五维（5D）光声成像能力，进一步实现了人类深层微血管造影，以及对小鼠脑部氧合变化的可视化。此项新技术充分发挥了光声成像在生物动力学中多尺度高分辨率的可视化潜力，为生物医学研究和临床应用提供了新的可能性。

该工作以“Ultrawideband high density polymer-based spherical array for real-time functional optoacoustic micro-angiography”为题，发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

光声（OA）层析成像技术能够通过单次闪光捕获体积层析信息，成像速度极快。然而，目前常用于OA信号检测的压电复合材料（如压电陶瓷）检测带宽较窄，且难以实现高密度阵列检测，特别是曲面上的高密度阵列，这极大地限制了其在不同尺度结构成像中的应用。

近年来，基于光学超声检测的方法虽具有高达40 MHz的宽频带检测潜力。但通常采用逐行扫描的方式，导致成像时间过长，难以应用于高速的光声层析成像。

PVDF薄膜作为一种灵活的非谐振超声换能器材料，具有高g33压电常数、宽频带响应和接近生物组织的声学阻抗（约2.7 MRayls），更加适用于OA信号检测。其检测带宽可超过100 MHz，灵敏度可以扩展到亚MHz频段，这对于实现准确且可定量的结构重建至关重要。

创新研究

PVDF阵列设计与系统集成

研究团队首先展示了基于PVDF薄膜的512通道高密度球形阵列（如图1所示），该阵列由半径15.02 mm的球形预制件制成，PVDF薄膜粘贴在预制件表面；此阵列包含512个约0.95 mm²的孔径，能够覆盖135°的成像范围，并利用光纤束进行样品照明。512通道与放大电子设备集成，512个信号由数据采集系统进行同步采集。该阵列覆盖了0.3-40 MHz超宽频段，能够实现高灵敏度、宽频带的光声信号检测。

图1. 基于PVDF超宽带512通道球形阵列示意图

PVDF阵列与PZT阵列性能对比

团队通过对比PVDF阵列与传统压电复合材料（PZT）阵列的性能，表明PVDF阵列在多尺度血管成像中具有显著优势。PVDF阵列在低频段（0.3-5 MHz）信噪比较PZT阵列高20 dB以上，中频段（5-25 MHz）也有显著提升；PVDF能捕捉预期光声波形，而PZT因低频灵敏度

图2. PVDF阵列与PZT阵列的性能对比

人类手掌血管的5D光声成像

研究团队通过该技术清晰显示了人类手掌大型和小型血管以及皮肤表层的汗腺导管等细微结构。如图3所示，展示了在深度范围0-4 mm内，通过光声成像技术重建的深层血管的三维结构，以及深度范围100-200 μm内的浅表血管的分布和形态。通过多光谱成像，能够区分氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR），为评估血管的氧合状态提供了重要信息。

图3. 人类手掌血管成像

小鼠脑部氧合变化及脑部血流动力学响应成像

此外，研究团队还展示了基于该PVDF薄膜的高密度球形阵列在小鼠脑部功能成像中的应用。如图4所示，通过改变小鼠吸入气体氧含量，实现非侵入式监测脑部血管氧饱和度变化的5D光声成像，可清晰分辨小至55 μm的脑部血管。并对小鼠后爪进行电刺激，实现了脑部血流动力学参数的变化的实时监测。

图4. 小鼠脑部血氧饱和度变化的成像

图5. 小鼠脑部血氧饱和度变化及脑部血流动力学响应成像

总结与展望

研究团队开发了一种基于PVDF薄膜的超宽频、高密度、高分辨率球形阵列技术，并通过结合光谱、时间分辨、体积成像，实现了五维（5D）光声成像能力，通过对人类深层微血管造影，以及对小鼠脑部氧合变化的可视化，充分发挥了光声成像在生物动力学中多尺度高分辨率的可视化潜力。此项技术可用于研究脑功能和血流动力学变化，对脑部疾病的诊断和治疗具有重要意义。

未来可进一步优化PVDF阵列的设计和制造工艺，以提高其性能和可靠性。此外，结合其他成像技术（如磁共振成像MRI），可实现多模态成像，进一步拓展光声成像的应用范围。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01894-y