超声彩色血流成像技术实现微米级机器人的实时可视化与追踪

为解决微创手术中微米级机器人实时成像的难题，研究人员开发了基于声学诱导结构振荡的彩色血流成像(CFM)超声技术。该研究通过激发气泡型微机器人(~73 μm)产生伪多普勒信号，实现了在10 cm深度组织内的实时定位与追踪。这一突破性技术将超声成像分辨率提升至微米级，为精准医疗提供了新型可视化工具。

　　

在医疗机器人技术飞速发展的今天，微米级手术助手被誉为"未来医疗的颠覆性技术"。这些肉眼不可见的微型机器能够穿越人体复杂环境，将药物精准递送到传统手段难以触及的病灶区域。然而，就像黑夜中航行的船只需要灯塔指引，微机器人在人体内的精确定位和实时追踪一直是制约其临床应用的瓶颈问题。现有成像技术如磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)和X射线等，要么分辨率不足，要么存在辐射风险，更无法满足实时监控的需求。

针对这一技术困境，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表了一项突破性研究。他们创新性地将超声彩色血流成像(CFM)技术与气泡型微机器人相结合，通过声学诱导微机器人结构振荡产生伪多普勒信号，实现了微米尺度物体的实时可视化。这项技术的核心在于利用封装微气泡的双重功能——既作为推进单元又作为造影剂，通过两个不同频段的超声源实现同步定位与激活。

研究采用了多项关键技术：1）双光子聚合3D打印制备直径60-80 μm的微机器人；2）建立同时具备光学和超声成像的双模态实验平台；3）开发基于声学诱导振荡的伪多普勒信号生成方法；4）构建不同深度的仿组织体模(最达10 cm)验证成像性能；5）开展离体小鼠膀胱模型实验。

【成像概念】
通过设计具有球形孔洞的聚合物微机器人(外径72.6 μm)，封装65.6 μm直径的微气泡。当施加100 kHz声场时，气泡产生10 μm振幅振荡，在CFM模式下形成彩色闪烁信号。实验证明，当脉冲重复频率(PRF)与激励频率呈非整数倍关系时，可获得最佳成像效果。

【成像表征】
频率扫描显示，在探头共振频段(100-101.5 kHz)微气泡振荡最剧烈，CFM信号最强。功率实验发现，在V_pp=7.0 V时出现信号拐点，超过50 V会导致气泡破裂。值得注意的是，微机器人开口朝向不影响成像质量，但信号强度受超声束空间位置影响显著。

【径向信号检测】
通过180°弧形仿组织体模实验证实，微机器人可从任意角度被检测。当超声探头与基底平面成30°-150°时，可选择性显示不同平面的微机器人阵列，展现了全向检测潜力。

【深部组织可视化】
在10 cm厚仿组织中，CFM模式成功识别微机器人，而传统B模式仅显示模糊灰影。声波在组织-水界面的折射效应通过调整探头角度得到补偿，验证了深部组织应用的可行性。

【实时运动成像】
在非粘性基底上，微机器人在101 kHz/8.4 V激励下产生特征性螺旋运动轨迹，被光学和CFM模式同步捕获。实验还观察到超声探头引起的Eckart bulk streaming现象，但微机器人仍能克服该流体应力保持可见性。

【药物递送机制可视化】
微机器人在103.4 kHz/35 V激励下会定向靠近腔壁并产生朝向组织的微流，展示了潜在的靶向给药能力。CFM信号可清晰显示这一动态过程，为治疗过程监控提供了新方法。

【离体小鼠膀胱成像】
将400个微机器人注入小鼠膀胱后，CFM模式成功追踪到其向膀胱底壁的运动。通过调节壁滤波器和增益参数，有效抑制了软组织中的伪影信号。

这项研究突破了超声成像的微米级分辨率极限，为微创手术提供了实时可视化解决方案。气泡型微机器人兼具推进和成像功能的特点，使其在膀胱癌治疗、胃溃疡靶向给药等场景具有独特优势。技术采用的临床常规超声设备，更有利于快速转化应用。研究还启示了声学微机器人未来在疾病图谱绘制、神经调控等领域的应用潜力。随着声学操控技术的进步，这种融合成像与治疗的"诊疗一体化"平台，或将开启精准医疗的新篇章。