基于超薄金电极的高频宽带透明换能器实现双模光声与激光诱导超声显微成像

为解决传统双模成像系统中光声(PA)与超声(US)信号需顺序采集导致的配准误差问题，研究人员开发了中心频率65.6 MHz、带宽71.6%的高频宽带透明超声换能器(TUT)。该器件采用<10 nm超薄金电极，通过激光诱导超声(LUS)实现PA/US同步成像，体内实验证实LUS可替代传统US成像，显著提升成像效率并降低配准误差。

　　

在生物医学成像领域，如何实现高分辨率的多模态成像一直是科学家们追求的目标。光声成像(Photoacoustic Imaging, PAI)和超声成像(Ultrasound Imaging, US)作为两种互补的成像技术，前者能提供功能性和分子信息，后者则擅长展示解剖结构。然而，将这两种技术完美结合却面临巨大挑战：传统系统中，不透明的超声换能器会阻挡激光通路，迫使研究人员使用复杂的反射镜或棱镜系统来实现光声共轴对齐，这不仅增加了系统复杂度，还导致信号严重衰减。更棘手的是，由于PA和US信号生成机制不同，传统双模系统必须交替采集两种信号，不仅耗时费力，还容易因样本移动导致图像配准错位。

针对这些技术瓶颈，来自韩国大邱庆北科学技术院(Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, DGIST)的研究团队在《Photoacoustics》期刊发表了一项突破性研究。他们创新性地开发了一种基于超薄金电极的高频宽带透明超声换能器(Transparent Ultrasound Transducer, TUT)，不仅解决了光路遮挡问题，还意外发现这种换能器能产生激光诱导超声(Laser-induced Ultrasound, LUS)，从而实现了真正意义上的PA/US同步成像。这项研究为生物医学成像开辟了新途径，特别是在需要高时空精度的心脑血管研究和肿瘤检测等领域具有重要应用前景。

研究人员采用多项关键技术开展研究：首先通过有限元模拟(PZFlex软件)优化换能器设计，采用Y-36°切割的铌酸锂(LiNbO₃, LNO)作为透明活性层；创新性地使用8 nm超薄金电极替代传统氧化铟锡(ITO)电极，兼顾导电性与透光性；采用二氧化硅制作透明声透镜；通过k-Wave和有限元法双模拟平台分析LUS信号特性；最后通过钨丝分辨率测试、骨架叶脉仿体和活体小鼠实验验证成像性能。

研究结果部分，在"高频宽带TUT的开发"章节，模拟显示30 μm厚LNO层在附加声透镜后，中心频率从90 MHz降至71 MHz，但带宽从26.7%大幅提升至81.6%。"LUS原理"章节通过理论推导和仿真证实，LUS信号频率与LNO层厚度成反比，实验测得LUS中心频率20.6 MHz，带宽81.6%，与仿真结果吻合。"声学特性"章节的数据显示，超薄金基TUT的脉冲回波响应幅度达547.4 mV_p-p，比ITO基TUT高1.2倍，且PA信号接收灵敏度高出2.54倍，噪声等效压力低至21 mPa/√Hz。

"轴向和侧向分辨率"章节的测试结果表明，US成像的侧向和轴向分辨率分别为32.7 μm和16.9 μm，而LUS成像分辨率为60.9 μm和36.8 μm，虽略低于US但实现了同步采集优势。"体外成像实验"中，超薄金基TUT获取的骨架叶脉图像信噪比(SNR)达43.3 dB，比ITO基器件高4.9 dB。最引人注目的"活体成像实验"结果显示，传统USM与PAM组合图像出现明显错位（白色箭头标示），而LUSM与PAM同步采集的图像完美呈现了小鼠腹部解剖结构，包括肝静脉(白色箭头)和肺部气腔(白色星标)等特征，深度可达3 mm。

这项研究的核心突破在于发现了超薄金电极TUT的"一石三鸟"功能：作为透明电极保障光路畅通，作为高效换能器提升信号质量，还能原位产生LUS实现同步双模成像。研究团队特别指出，虽然LUSM分辨率(60.9 μm)略低于USM(32.7 μm)，但其无需额外超声发射模块，大幅简化系统架构，且彻底解决了时序错配问题。这种创新设计为实时动态研究如血流监测、药物代谢等提供了全新工具。未来通过优化金电极厚度(当前8 nm)和自动化制备工艺，有望进一步提升性能。该成果不仅推动了多模态成像技术的发展，更为光学-声学协同治疗等应用奠定了硬件基础。