"怀长期主义，聊医工科技"
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你有没有想过，医生是如何用超声波“看见”人体内部的？比如用超声波观察胎儿，或者检查身体器官，这些影像手段的基本原理是通过发射超声波，使波在组织内部传播，并被反射回来，最终被接收和转换成电脉冲，从而获得不同器官的信息。可是，当超声波遇到像人类颅骨这样坚硬的“屏障”时，问题就来了——它很容易被散射或反射，无法准确到达大脑深处。
颅骨和软组织的内部不均匀都会引起超声影像的失真和能量损耗。作为能量传输的巨大障碍，这类结构被称为畸变层，广泛存在于微波工程、电磁波、水下声学和医疗超声等领域。使用常规材料引导声波透过无人水下航行器、人类头骨和水下管道等畸变层实现宽带聚焦一直具有挑战。
近日，香港大学方绚莱教授与厦门大学张宇教授在国际顶级期刊Nature Communications在线发表了题为“Soft Metalens for Broadband Ultrasonic Focusing through Aberration Layers”的研究论文。香港大学博士后研究员董尔谦博士为论文第一作者，方绚莱教授、张宇教授为论文的共同通讯作者。
方绚莱 (Nicholas X. Fang)，香港大学教授。1996、1998年本硕毕业于南京大学，2004年在加州大学洛杉矶分校取得博士学位。担任麻省理工学院机械工程系终身教授，2022年起任香港大学机械工程系教授。
方绚莱教授的研究兴趣集中在光学纳米技术和纳米制造、光学仪器、超声材料和仪器、轻质复合材料、组织工程学，获得多个奖项，包括美国机械工程师协会 (ASME) Chao and Trigger青年制造工程师奖(2013)、国际光学委员会ICO奖 (2011)，获得美国国家科学基金奖 (2009) 和MIT技术评论杂志第35届青年创新者奖 (2008)。
张宇，厦门大学教授。1992-2000年就读于南京大学, 获理学博士学位。2000-2009年期间，先后在美国西北大学和威斯康星大学麦迪逊分校从事科研。2017-2019年在美国麻省理工学院做高级访问学者。2009年加入厦门大学。教育部 “长江学者” 特聘教授，厦门大学海洋与地球学院副院长。
张宇教授研究兴趣集中在生物声学、海洋仿生、仿生探测与通信、海洋人工智能等方面，已在国内外学术刊物发表SCI论文160余篇，主持有关重点项目、国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目课题等，担任中国声学学会理事会、中国海洋学会海洋物理分会理事会、中国海洋学会深海技术分会理事会等理事。
图1 穿透畸变层进行超声聚焦的柔性超透镜设计，并应用于脑肿瘤治疗、无人水下航行器探测和城市管道网络超声检测
研究团队发明了一种神奇的新材料，制作出了一种具备“柔软的超能力”的软超透镜，它可以帮助超声波穿透人类颅骨，精准聚焦到大脑中指定的部位。这项技术不仅听起来很酷，还可能改变未来医学的治疗方式！
本研究成果首次利用声学参数可调的微米钨-凝胶超透镜穿透异质畸变层。通过有效介质理论，研究团队探索并定量测量了凝胶中微钨颗粒的折射率，并与理论预测结果高度吻合。该软超透镜能够在宽带频率范围内（50 kHz 至 0.5 MHz）穿透模拟畸变层的3D打印人类颅骨模型。在离体经颅超声测试中，与未聚焦换能器相比，焦点处强度在宽频范围内增强了9.3 dB。通过结合软材料、超材料和梯度折射率技术，软超透镜的发现不仅提升了低强度超声精准进行刺激深部脑组织，也为下一代软体设备在宽带无人水下航行器探测、和管道高分辨率超声无损检测中的发展提供了潜在的应用机会。
图2 基于声波空间反转对称性逆向设计的超透镜相位分布
综上所述，这篇论文通过一种新的微米钨-凝胶软超透镜，实现了可调声学特性，并能够针对异质畸变层实现宽频聚焦。在传统的声学带隙材料中，当超声波的波长与散射体的尺寸接近时，超声波会受到强散射。研究结果表明，含有微钨颗粒的硅橡胶是宽带聚焦和阻抗匹配的理想候选材料以匹配畸变层。
图3微米钨-凝胶超透镜的定量测量，径向折射率可调且超声阻抗匹配
这些微钨颗粒的尺寸比最高工作频率（0.5 MHz）下的波长小1000倍，因此，软超透镜能够作为一种紧凑的影像耦合模组，对于医学诊断和超声引导下的治疗具有重要意义。软超透镜可以帮助外科医生准确控制高强度聚焦超声中的超声波束范围，并可能提升内窥镜超声和术中超声的图像空间分辨率，尤其是在神经外科手术中。此外，软超透镜或可为人类药物递送或声动力疗法中的血脑屏障开放提供可能性。
图4 基于CT断层扫描和三维重建引导下的瞬态声场用于宽频径颅超声聚焦
此外，通过快速制造基于软超透镜的大型高强度聚焦超声（HIFU）设备，超声波可以被操控以准确调节神经和肿瘤的靶向消融。研究人员也期待下一步将微纳制造技术应用于临床医学和成像质量的提升。研究人员也期待下一步将基于柔性超材料的微纳制造技术应用于解决许多实际问题，比如：精准治疗脑部疾病：软超透镜可以帮助医生用超声波治疗帕金森病、阿尔茨海默症等脑部疾病，更加高效和精准。此外，可以帮助超声波破坏肿瘤、精准刺激神经，甚至有可能打开血脑屏障，帮助药物直达大脑深处！非侵入式手术：这种技术可能让医生无需开刀，就能利用超声波治疗大脑中的病变组织。
图5 软超透镜用于基于3D打印颅骨仿体的宽带径颅超声聚焦定量实验
图6 软超透镜用于体外离体真实颅骨的径颅超声聚焦定量实验
本研究得到了以下资助：国家重点研发计划(2024YFD2401402)、中国国家自然科学基金(62231011,12411530074、12074323)、厦门市海洋渔业发展专项资金(20CZB015HJ01)、广东省水利科技创新项目(2020-16)、福建省重大科技专项(2021NZ033016)、香港赛马会信托基金(GSP181)资助的香港大学可扩展和可持续微纳光子制程STEM实验室、以及香港大学生命科学与材料能源研究院(MILES)。本研究涉及人类参与者的研究均通过厦门大学第一附属医院临床研究伦理委员会的审查和批准。
参考文献
Dong, Erqian, Tianye Zhang, Jinhu Zhang, Xiaochun Su, Sichao Qu, Xin Ye, Zhanyuan Gao et al. "Soft Metalens for Broadband Ultrasonic Focusing through Aberration Layers." Nature Communications 16, no. 1 (2025): 308.
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"怀长期主义，聊医工科技"
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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