基于锥形光纤的用于光声介观成像的150 MHz聚合物谐振器

用声与光看到微小血管

医生和研究人员越来越依赖皮下极细血管的图像来研究疾病、指导治疗并监测愈合过程。一种称为光声介观成像的技术将光与超声结合，揭示这一隐蔽的微观世界，但这要求极小且极灵敏的超声探测器。本文提出了一种构建在光纤尖端的发丝般传感器，能接收极高频的声波，从而对活体组织中的毛细血管等微小结构提供更清晰、更锐利的成像。

光如何转化为成像用的声

在光声成像中，极短的激光脉冲照射组织，被血液等成分吸收。短暂的加热使组织略微膨胀，发出向外传播的超声波。通过从多个位置和频率记录这些波形，计算机可以重建产生这些波的结构的三维图像。要观测比人体头发还细的特征，系统必须在宽频带的高频范围内检测超声，达100 MHz及以上，这远高于传统医学超声的频率。

当今微型“麦克风”的限制

现有微型超声探测器存在艰难的权衡。传统压电器件在尺寸缩小时灵敏度下降，难以覆盖极高频率。基于硅芯片的光学探测器可以做得极小且响应快，但其刚性材料对声耦合较差，会产生沿表面传播的表面声波，导致图像模糊。聚合物基探测器与声耦合性更好并可避免许多此类伪影，但在不牺牲光学性能的前提下实现微型化一直困难，这限制了它们的有效频率范围和可提供的图像分辨率。

一种新的光纤端传感器设计

作者提出了不同的方法：在锥形光纤被抛光成一小平台的端面上构建一个微小的聚合物“回声腔”。光纤被打磨成锥形，只有末端保留一个小平台，该平台上放置一个由透明聚合物制成并夹在薄银镜之间的微米级腔体。光沿光纤入射并在腔内反射。当入射超声波微微压缩或拉伸聚合物时，镜面之间的间距发生变化，从而改变反射光，可以被测量。通过同时将腔体厚度和直径精细缩小，研究人员实现了在约150 MHz附近平滑的超宽频响应，而小的有效区域则减少了不需要的表面波和方向性偏差。

更清晰的微血管成像

团队制造了三种不同尺寸的传感器以研究微型化对性能的影响。最小的一种基底仅24微米宽、聚合物腔厚6微米，表现最佳：带宽约150 MHz，噪声等效声压密度约为1.5毫帕/√Hz，表明其灵敏度极高。其微小孔径提供近点源的响应，减少了困扰较大设计的模糊和伪影。在小鼠耳光声介观成像实验中，该传感器生成的三维图像可分辨直径约17–20微米的血管，轴向分辨率约7微米，横向分辨率接近17微米。基于频率的彩色视图将较小与较大血管分别突出，显示出皮肤微血管的细节。

走向紧凑探头与内镜

由于新型探测器构建在标准光纤上且聚合物腔可通过简单的湿实验室工艺形成，它避免了复杂芯片制造的需求，因而更易于低成本生产。作者还展示了相同的锥形光纤概念可扩展到多芯光纤，既能传输光也能探测声，暗示了用于内镜或其他空间受限场景的紧凑探头。简而言之，这项工作展示了一种非常小且非常灵敏的光学“超声麦克风”，兼具高清晰度、宽频覆盖和更少的成像伪影，为获得体内微小结构的更清晰图像打开了新路径。

引用: Ülgen, O., La, T.A., Zakian, C. et al. 150 MHz polymer resonator for optoacoustic mesoscopy based on a tapered optical fiber. Nat Commun 17, 4328 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72815-9

关键词: 光声成像, 超声传感器, 光学纤维, 微血管, 聚合物谐振器