激光诱导可调谐贝塞尔超声场的生成及其成像应用：开拓生物医学成像新视野

研究人员为解决传统医学成像难题，开展激光诱导贝塞尔超声场（LIBUS）研究，实现高分辨率大深度成像，意义重大。

　　在医学成像的领域中，一直存在着一个令人困扰的 “矛盾”。就好比给一个远方的物体拍照，想要照片既清晰又能完整展现物体的全貌，是非常困难的。传统医学成像在面对大成像深度范围和高横向分辨率这两个需求时，也陷入了类似的困境。而贝塞尔超声场（Bessel ultrasound field）理论上拥有无限焦深且中心光斑高度聚焦的特性，这就像是给医学成像带来了一丝希望的曙光，让高分辨率且无限成像深度范围的医学成像成为可能。

然而现实却给这丝希望泼了冷水。由于实际孔径的限制，贝塞尔超声场的焦深无法达到理论上的无限，这大大限制了它在复杂环境和各种场景中的广泛应用。此前，虽然研究人员尝试用各种超声元件来生成贝塞尔超声场，像特殊超声换能器、折射超声元件和衍射超声元件等，但这些方法都因为制作工艺复杂，不仅难以对贝塞尔场进行动态调制，还无法进一步拓展焦点深度。

为了突破这些困境，中国科学院深圳先进技术研究院的研究人员展开了深入研究。他们提出利用可调谐环形光束来创建和调整贝塞尔超声场，并将其应用于超声成像。这一研究成果发表在《iScience》上，为生物医学成像领域带来了新的希望。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

1. 模拟技术：使用 k-wave 工具箱对环形源产生的贝塞尔超声场进行数值模拟，研究不同频率、环形宽度和半径对贝塞尔场分布的影响 。
2. 光学系统设计：通过 ZEMAX 软件模拟光路，设计由两个轴锥透镜和两个平凸透镜组成的光学系统，生成可调谐的光学环，以激发光吸收发射器产生贝塞尔超声场。
3. 构建成像系统：将光学系统、单元素换能器和激光诱导超声（LIUS）发射器薄膜集成到一个外径约 17mm 的微型探头中，构建超声成像系统，用于 LIBUS 成像和传统高斯超声（GUS）成像。

下面来看看具体的研究结果：

1. 贝塞尔超声场的模拟：研究发现，环形超声源的发射频率、半径和宽度都会影响贝塞尔超声场的特性。随着发射频率增加，焦点深度增大；半径增大时，焦点深度也增加，且压力峰值位置远离源；宽度增加同样使焦点深度增加，同时会增大压力峰值位置处超声主瓣的横向尺寸 。
2. 可调谐光学环的生成：通过改变轴锥镜 2 和透镜 2 之间的距离，可以调整光学环的半径，而环宽度基本保持不变。实验结果与模拟结果相符，实现了光学环半径在一定范围内的有效调控。
3. 超声场的测量：利用水听器测量 LIBUS 场，根据不同直径环形源产生的超声场在不同深度的表现，确定了 5.4mm 直径环形源的成像区域为 9 - 14mm，7mm 直径环形源的成像区域为 14 - 30mm。
4. 系统的横向分辨率：对比 LIBUS 成像、GUS 成像和聚焦高斯超声（FGUS）成像对钨丝模型的成像结果，发现 LIBUS 成像在 9 - 30mm 的成像深度范围内具有更高的横向分辨率。
5. 模型成像：对黄铜网和随机放置的钢丝进行成像实验，LIBUS 成像相较于 GUS 成像，能更清晰地显示物体细节，更准确地还原样本形状，分辨出更细微的结构。
6. 生物组织的离体成像：在对鸡胸组织、猪胃和胰腺组织的离体成像实验中，LIBUS 成像展现出更细腻的组织纹理，能更清晰地显示多层结构，对组织中金属丝直径的测量也更为准确。

综合研究结论和讨论部分，这项研究具有重要意义。研究人员通过理论研究环形源产生贝塞尔超声场，开发透镜组形成和调制光学环，成功实现了 LIBUS 成像，其最优横向分辨率达到 215nm，在 3cm 的深度范围内，LIBUS 成像分辨率明显优于传统 GUS 成像。这一成果展示了 LIBUS 在生物医学成像领域的巨大潜力，特别是微型探头的应用，为贝塞尔超声场在内窥镜成像等方面的应用开辟了道路。不过，该研究也存在一些局限性，如发射体材料有待改进以获取更高质量的 LIBUS 信号，探头尺寸和扫描结构还需进一步小型化 。但总体而言，这项研究为生物医学成像技术的发展提供了新的方向和思路，有望推动该领域取得更大的进步。