据中国激光杂志社网，于2026年06月01日报道，医学超声内窥镜是临床诊断的核心技术之一，然而传统压电超声换能器固有的窄带宽特性严重限制成像分辨率，单纯提升超声频率又会大幅降低成像深度，兼顾高分辨率与成像深度一直是该领域的关键难题。针对这一瓶颈，华中科技大学朱本鹏教授团队与郑州大学郭海中教授团队联合攻关，建立层状光声器件频率特性理论模型，采用纳米SiO2掺杂改性技术制备高性能光声器件，实现光声频率的高频、大带宽精准调控。团队进一步研发微型全光超声内窥探头并搭建成像系统，获得54 μm超高轴向分辨率，离体气管、血管、肠道成像结果清晰可靠。此项研究突破传统技术局限，为心血管、消化道等疾病的早期诊断与精准治疗提供了全新技术路径，有力地推动了全光超声内窥镜技术的临床转化。
——马冬晗教授，大连理工大学
Photonics Research青编委
医学超声成像在临床诊断中具有至关重要的作用，其与内窥镜技术的结合，为气管、血管、肠道等管腔内部结构的检查提供了有效方法。然而，传统超声内窥镜的核心器件是压电超声换能器，其固有的窄带宽（通常<80%）性质限制了超声图像的分辨率，虽然提高超声频率可以改善分辨率，但这又会减小成像深度。在保证成像深度的同时实现高分辨率成像，一直是该领域面临的重大挑战。近年来，光声器件的研究逐渐深入，为超声内窥镜的发展提供了新方向。光声器件源于光声效应，通常利用光吸收材料和热膨胀材料实现光-热-声的转换，相比于传统压电器件具有工艺简单、高带宽、优异电磁兼容性等优势。然而，如何精确、高效地调控光声器件频率，仍然缺乏详细的理论指导和实验研究，这在一定程度上限制了全光型高分辨率超声内窥镜技术的发展。
为此，华中科技大学朱本鹏教授团队与郑州大学郭海中教授团队合作，提出了一种精确调控光声频率并用于全光超声内窥成像的新方法。研究团队从光声效应的物理机制出发，建立了层状光声器件的频率特性理论模型，明确了光吸收层和热膨胀层材料特性参数对输出超声频率的影响要素。基于该理论，团队通过向聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）中掺杂高声速的纳米级SiO2，成功制备出不同中心频率和带宽的CSNP-PDMS/SiO2复合光声器件，实现了高频率（~20 MHz）和高带宽（~156%）的精确控制。在此基础上，团队研制出光纤集成的全光型侧视超声内窥探头，并搭建了全光型超声内窥（AO-UE）成像系统，获得了轴向分辨率高达54 μm的腔内超声图像，高于同频率下的传统压电式超声内窥镜。相关研究成果以“Precise regulation of photoacoustic frequency for all-optical ultrasound endoscopic imaging”为题，发表于Photonics Research 2026年第3期，被遴选为封面文章。
研究团队首先建立了光声器件的理论模型。根据光声效应原理，当激光脉冲宽度远小于应力松弛时间时，光声信号的频率主要由材料的光吸收系数和声速决定。这意味着要提高光声器件的频率，关键在于选择高光吸收的光吸收材料和高声速的热膨胀材料。在此基础上，研究团队制备了不同的层状光声器件，如图1(a–b)所示，并进行了一系列实验测试。对比不同光吸收材料，比如碳纳米颗粒（CSNP）和垂直石墨烯（VG），基于CSNP的光声器件具有更高光吸收率和中心频率，如图1(c–d)所示。进一步对比不同热膨胀材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），结果显示PDMS基的光声器件最优，适用于超声成像应用，如图1(e–f)所示。
进一步地，研究团队创新性地提出了向PDMS中掺杂高声速纳米级SiO2的方法。团队制备了四种不同掺杂比例的器件（PDMS与SiO2质量比分别为20:1，10:1，5:1，1:1，即Ⅰ-Ⅳ型）。实验结果显示，随着SiO2比例的增加，器件的频率和带宽呈现出先升高后降低的趋势，当掺杂比例为5:1时（Ⅲ型器件），性能达到最优，中心频率高达19.5 MHz，-6 dB带宽达163%，同时仍保持较高的声压输出，如图1(g–i)所示。这一结果验证了理论模型的正确性，为后续高分辨全光型超声成像应用奠定基础。
基于性能最优的Ⅲ型器件，团队研制出光纤集成的全光型侧视超声内窥探头，如图2(a–d)所示。首先，将光纤前端精密抛光成特定角度斜面以实现全反射；接着，光声薄膜被制备在光纤侧面，实现了超声波的侧向发射；最后，通过与法布里-珀罗光纤水听器结合，制备出直径为1.2 mm的全光型超声内窥探头。通过测试，发现该探头的输出声压达1.6 MPa，中心频率为20 MHz，-6 dB带宽达到了156%，且表现出良好的成像深度和声场侧向分布，如图2(e–g)所示。进一步地，团队搭建了全光型超声内窥（AO-UE）成像系统，如图3(a)所示，且该成像系统的轴向分辨率高达54 μm，横向分辨率为370 μm。此外，该系统的轴向分辨率显著优于同频率的传统压电超声内镜（通常约92–122 μm），甚至超越了更高频率（38 MHz）的光声成像方式（约58 μm），展现出高带宽光声器件的优异成像能力。
为了验证系统的实际应用潜力，研究团队对离体的兔子气管、血管和肠道进行了内窥成像实验（图4）。获得的超声图像清晰地显示了组织的内、外壁边界和形态学细节，与组织染色的切片图像高度吻合。像素值对比结果进一步显示，超声图像对组织厚度的测量与实际样本一致。实验结果有力地证明了AO-UE系统在管腔内高分辨率成像方面的巨大潜力，为未来在心血管、消化道等疾病的早期诊断和精准治疗中的应用提供了新技术。
该研究不仅为光声器件的频率调控提供了可靠的理论依据和可行的技术路径，也展示了全光超声内窥镜在临床转化中的光明前景。未来，团队将重点攻关以下方向：
材料创新：探索更优异的光学和热学性能材料，如过渡金属碳化物或氮化物等，或者更高声速、更优热学性能的掺杂材料，如氧化铝或氧化锆等，以期在保持高声压的同时，将器件工作频率提升至更高；
系统集成：通过优化探头结构，提升系统成像帧率，向实时、三维成像改进；
临床转化：开展大动物在体实验，验证系统的安全性、稳定性和对早期病变的诊断能力，推动技术向临床转化。
