稀疏孔径超声引导声涡旋镊技术实现外周血管微泡实时聚集的突破性研究

本研究针对声涡旋镊（AVT）在载药微泡（MBs）靶向递送中面临的实时成像质量差、模式切换困难等三大挑战，创新性地提出稀疏孔径发射策略，整合超声血流成像（BFI）与AVT技术。通过体外模型优化脉冲参数（PRF>1.5 kHz，声压0.35-0.65 MPa）及兔下肢静脉实验验证，首次实现单矩阵探头双模式操作，为精准药物递送提供新范式。

　　

在精准医疗时代，载药微泡（Microbubbles, MBs）因其"造影-载药"双功能特性成为研究热点。这种气液核壳结构不仅能通过声阻抗差增强超声成像对比度，更能高效包裹药物，在血栓溶解、肿瘤靶向治疗等领域展现巨大潜力。然而现实却令人沮丧——研究表明仅有不到0.7%的载药微泡能有效富集到目标区域，高速血流冲刷成为最大障碍。声涡旋镊（Acoustic Vortex Tweezers, AVT）技术的出现带来转机，它通过产生龙卷风般的声辐射力场，可非侵入式操控微泡运动。但现有技术依赖光学引导，仅适用于浅表血管，且双探头系统存在空间对准难题。更棘手的是，传统全孔径矩阵探头在实时三维成像时面临通道数爆炸与分辨率不足的矛盾，犹如"盲人摸象"难以精准引导AVT聚焦。

为解决这些瓶颈，北京大学研究人员在《Ultrasonics》发表创新成果。团队开发出稀疏孔径超声引导的AVT系统，通过单矩阵探头交替执行血流成像（BFI）和AVT发射，首次实现"所见即所治"的实时操作。关键技术包括：1）稀疏孔径发射策略（通道数减少50%仍保持全孔径成像质量）；2）多角度脉冲反转变频（PI）复合成像；3）可调声压（0.35-0.65 MPa）与脉冲重复频率（PRF>1.5 kHz）的AVT序列；4）兔下肢静脉在体实验验证。

研究结果

血流成像导航流程
通过稀疏孔径多角度PI成像实时捕捉兔后肢静脉血流，结合GUI界面动态调整AVT焦距，建立"成像-定位-聚集"的闭环操作链。该系统突破传统光学引导的深度限制，实现深部血管的可视化操控。

水听器测量AVT声场
X-Z平面声场测量显示稀疏孔径与全孔径AVT具有相同特征：中心低强度、周边高强度的"涡旋"分布。X-Y平面五层深度测量证实声场呈连续龙卷风结构，这种独特分布使微泡在流场中受径向声辐射力向涡心聚集。

体外模型参数优化
在20-110 mL/h流速范围内，0.35-0.65 MPa声压与>1.5 kHz PRF组合实现最佳微泡聚集效率。脉冲参数与流场速度的定量关系为临床转化提供关键参数库。

讨论与意义
该研究突破性地将稀疏孔径技术引入AVT领域，解决传统系统"高通道需求"与"低时空分辨率"的矛盾。实验证实稀疏孔径AVT声场特性与全孔径等效，且单探头双模式操作简化设备复杂度。更重要的是，超声引导的实现使AVT应用场景从浅表血管扩展到深部组织，为下肢缺血、肿瘤等疾病的精准治疗开辟新途径。作者团队特别指出，该系统未来可整合人工智能算法，实现"智能追踪-自动聚焦"的闭环治疗，推动超声介导的靶向给药进入智能化时代。

这项由Dongdong Liang、Jiabin Zhang等学者完成的研究，不仅为载药微泡的精准操控提供全新解决方案，更开创了超声治疗设备"诊疗一体化"的新范式，其技术框架有望延伸至其他声学操控领域，具有重要的临床转化价值。