"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍一种新型的双模态光声/超声内窥镜成像系统（ePAUS-TUT），该系统结合了超声成像（USI）和光声成像（PAI）技术，提供高分辨率的组织结构和功能信息。为克服现有ePAUS系统在超声成像质量和成像深度上的不足，研究团队开发了一种透明的超声换能器（TUT），使得光学束和声学束能够精确同轴对准，保证了两种成像模式的高性能。ePAUS-TUT探头的直径仅为1.8毫米，适用于标准内窥镜通道，并能够提供商业级别的超声图像质量和高性能的光声成像，工作距离可达12毫米。通过对大鼠直肠和猪食管的体内成像验证，系统成功地实现了胃肠道结构的高分辨率成像，能够清晰区分组织层次，并可视化血管网络。该系统的优势在于其小型化设计、长工作距离和无缝的光声与超声成像能力，展示了在胃肠疾病、肿瘤诊断等领域的广泛应用潜力。未来的研究可能包括进一步提高透明度、光声成像深度，以及将该技术扩展到肺病学、心脏病学等领域。 |
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超声治疗肿瘤新篇章 - “超级”声动力疗法SDT揭示声致发光Sonoluminescence在癌症治疗中的新潜力
超灵敏透明换能器TUT：用于活体内超声和光声成像应用的新型超声换能器
光声成像（PAI）结合了光学成像和超声成像的优点，通过光照射引发的热弹性膨胀效应，将光能转换为超声波信号，从而生成组织图像。PAI能够提供多种信息，如血管结构、细胞核分布、血流量、氧饱和度等功能性和分子级信息，并能够与现有的超声成像设备（如乳腺、甲状腺超声，血管内超声等）无缝集成。然而，现有的超声内窥镜（EUS）系统对于软组织的对比度较低，且无法提供足够的功能成像能力。为克服这些局限性，研究人员将PAI能力集成到现有的EUS系统中，形成了双模态PA和超声（ePAUS）成像系统，既能提供组织结构信息，又能提供功能性信息（如氧饱和度SO2）。
TUT的制造和操作特性（A）TUT的制造过程。（B）TUT的层结构示意图及其照片（插图）。（C）模拟的声学性能和（D）实验的声学性能。（E）实验的光学透过率。CF：中心频率；BW：带宽；ML：匹配层。
ePAUS系统的挑战
要使ePAUS系统在临床上具有可操作性，必须满足三个条件：
小型化和兼容性：光学和声学组件必须协调工作，探头直径需小于2.5毫米，并能够通过内窥镜通道操作。
长工作距离：由于在内窥镜操作中，探头与成像目标之间的距离难以精确调节，因此需要具备较长的工作距离。
商业级超声图像质量：ePAUS系统必须提供与商业超声设备相当的图像质量，以便于进行组织层次分析和对比。
现有的ePAUS系统往往无法同时实现高质量的超声成像和光声成像，特别是在超声图像质量较差的情况下，限制了该技术的临床应用。
TUT-based ePAUS系统的系统示意图和性能 （A）整体ePAUS-TUT系统的示意图及探头的照片。（B）每个组件后的光束形状：#1 在棱镜后立即，#2 通过TUT后，#3 通过TUT和管道后。（C）光声（PA）和超声（US）的横向和轴向分辨率与距离的关系。MMF：多模光纤；SUS：不锈钢；DAQ：数据采集设备；DGT：数字化仪；PR：脉冲发生器/接收器；SW：开关；HSR：空心轴滑环；ORJ：光学旋转接头；AMP：放大器。
ePAUS-TUT探头的设计
为了克服现有系统的不足，本文提出了使用透明超声换能器（TUT）解决光学和声学束的同轴对准问题。研究团队设计了目前为止最小的TUT（1毫米×1毫米×0.47毫米），其工作带宽为61%（21 MHz中心频率），并成功地将其集成到内窥镜探头中。该透明换能器能够高效地将光学和声学束对准，从而在不妥协任何一方性能的情况下，实现超声和光声的双模态成像。
TUT的制造过程与性能
透明超声换能器的制造过程如下：
材料选择：采用了铅镁铌酸钛（PMN-PT）作为压电材料，因为它具有较高的介电常数（ε0=895）和较低的纵波速度（v=4600 m/s），以及较高的压电耦合系数和压电电荷常数（d33=1190 pC/N），适合小型化和高性能的应用。
制造工艺：通过精密的研磨、抛光、溅射电极以及非导电环氧树脂和聚氨酯材料作为匹配层，制造出了具有良好透明性的TUT。最终的TUT尺寸为1毫米×1毫米，且具有高达78.9%的光学透过率（532 nm波长）。
大鼠直肠的内窥镜光声/超声成像（PA/USI） （A）三维渲染的叠加光声/超声（PA/US），半透明光声/超声图像，以及深度编码的仅光声（PA-only）图像（电影S1）。（B）在（A）中标示的数字位置的横截面叠加B模式光声/超声图像。（C）光声最大振幅投影（PA MAP）和超声最大强度投影（US MIP）图像。（D）三种深度编码的光声最大振幅投影（PA MAP）图像：整个深度、0到0.15毫米深、和低于0.45毫米的深度。插图为（D）框中的放大图像。所有标尺为5毫米。
ePAUS-TUT系统的结构与性能
ePAUS-TUT系统通过以下结构实现了优异的成像性能：
光学与声学模块：光学模块使用了50微米核心的多模光纤、渐变折射率（GRIN）透镜和反射棱镜。通过这一设计，光束能够准确地照射到TUT上，保证了光学束和声学束在一个轴线上有效结合。
系统性能：该系统能够在较长的工作距离下，获得高分辨率的PA和US图像。PA图像的最佳横向分辨率可达到91微米，而US图像在5.4毫米的距离处达到最佳横向分辨率（110微米）。
实验结果
通过对大鼠和猪的体内成像实验，验证了ePAUS-TUT系统的成像能力：
大鼠直肠成像：系统能够在大鼠直肠壁上同时获得PA和US图像，PA信号清晰地分布在直肠壁上，能够观察到浅表和深层的小血管。US图像则能够清晰地显示骨盆底肌肉和直肠其他结构。
猪食管成像：ePAUS-TUT探头通过商业内窥镜顺利插入猪的食管，成功成像了食管的九层结构，并能够利用PA信号精确定位内表面毛细血管环（IPCLs）。
猪食管的内窥镜光声/超声成像（PA/USI）（A）ePAUS探头插入商业内窥镜的照片。（B）猪食管的三维渲染叠加光声/超声（PA/US）图像。（C）在（B）中垂直方向切割的横截面光声/超声图像。（D）在（B）中径向方向切割的横截面光声/超声图像（#1至#3）。（E）猪食管的光声最大振幅投影（PA MAP）图像。IPCL：乳头状毛细血管环。所有标尺为5毫米。
讨论
ePAUS-TUT系统成功解决了以往ePAUS系统在超声成像质量上的不足。其关键技术优势包括：
小型化：该系统能够通过标准内窥镜通道进行操作，且探头直径小于2.5毫米，适合临床实际应用。
同轴对准：光学和声学束的同轴对准确保了高SNR、高分辨率和长工作距离，使得光声成像能够深入观察到食管等深部组织。
高性能成像：该系统提供的US图像质量已达到商业级水平，PA图像能够清晰显示血管网络，尤其适用于胃肠道疾病的监测。
未来发展方向
研究团队还指出了未来研究的潜力，包括：
提高光学透明度：通过改善TUT的光学透明性，可以进一步提高光声成像的深度和速度。
临床应用：ePAUS-TUT系统可以在肺病学、泌尿学和心脏病学等领域得到应用，特别是用于诊断肿瘤、观察动脉硬化和研究慢性阻塞性肺病等。
与其他光学成像技术的集成：未来可能将该系统与白光内窥镜、荧光成像、光学相干断层成像（OCT）等其他光学技术结合，拓展其应用范围。
总结
通过开发基于PMN-PT的超小TUT，研究人员成功地将其应用于ePAUS系统，解决了传统ePAUS系统中的光声和超声成像性能不匹配的问题。ePAUS-TUT系统不仅具有优异的超声成像能力，还能够提供高分辨率、长工作距离的光声成像，显示出巨大的临床应用潜力。
参考文献
Kim, Jaewoo, Dasom Heo, Seonghee Cho, Mingyu Ha, Jeongwoo Park, Joongho Ahn, Minsu Kim et al. "Enhanced dual-mode imaging: Superior photoacoustic and ultrasound endoscopy in live pigs using a transparent ultrasound transducer." Science Advances 10, no. 47 (2024): eadq9960.
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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