撰稿|课题组供稿
近日，复旦大学生物医学工程系智慧医疗超声团队成功开发了一种基于柔性可拉伸超透镜的超声成像方法，具有亚波长超声成像分辨率和灵活可调的成像深度，并将其应用于骨组织微结构评估。研究成果以“Stretchable Ultrasound Metalens for Biomedical Zoom Imaging and Bone Quality Assessment with Subwavelength Resolution”为题发表在学术期刊《Small》，并入选期刊Frontspiece。论文第一作者为博士生何佳杰，通讯作者为江雪副教授、彭慧胜院士和他得安教授。
医学超声成像技术，通过重建组织内部影像以反映目标区域的结构及功能特征，对于可视化组织微结构和诊断病灶区域至关重要，在生命科学和临床实践中具有重要应用价值。提高成像分辨率和动态调控成像深度是超声成像技术的两个关键需求。
有源超声成像技术的分辨率受限于相控阵阵元数量和尺寸，难以实现低于波长的成像分辨率。声学超透镜为实现亚波长聚焦分辨率提供了新可能，随之发展的高分辨率成像技术也在空气可听声频段取得了部分进展。然而，现有的多数超透镜受限于静态刚性硬材质，难以可重构声学响应，同时与生物软组织界面存在明显匹配差异，无法满足医学超声成像中动态调控成像平面的需求。
上述关键科学及技术问题进一步限制了声学超透镜在实际医学成像和疾病诊断中的应用。如何针对医学超声的实际声学属性、生物组织特征及成像需求，实现具有亚波长成像分辨率及动态可调成像范围的超声成像技术，并充分探索声学超透镜在医学诊疗中的实际应用，是超声超透镜的基础和应用研究中的关键难题，需要从物理、材料和生物医学等多学科角度寻找交叉解决方案。
本研究充分结合了物理声学原理和高分子材料优势，设计了柔性可拉伸超透镜，以解决上述基于超透镜的医学超声成像难题。柔性超透镜具有可逆弹性形变，在不改变结构拓扑构型及材料属性的基础上，赋予额外的维度以动态调控声学响应。基于柔性可拉伸超透镜的超声成像方法，具有良好的生物相容性和亚波长成像分辨率，并且能够动态地调节成像平面。利用该超透镜对骨组织进行无辐射、高精度成像，通过清晰的超声影像实现多参数骨微结构评估方法。
图1. 基于柔性超透镜的超声变焦成像方法，其具有亚波长成像分辨率和灵活可调的成像深度。a, 柔性变焦超声成像示意图；b, 弯曲及拉伸状态下的柔性超透镜；c, 显微镜下观测在不同拉伸程度下的柔性超透镜几何构型。
实验证实所设计的柔性超透镜可实现0.6个波长的横向成像分辨率（0.9 mm，1 MHz）。利用柔性超透镜分别对由复杂不规则微孔组成的多孔微结构仿体和表面存在骨裂缝的皮质骨组织切片进行形态表征。结果表明，亚毫米尺度的精细结构和形态特征均能被清晰识别，且没有明显的噪声干扰或伪影畸变。成像分辨率的显著提升有利于从根本上改善原本相对模糊的影像质量，从而提高超声诊断精度，减少误诊、漏诊的可能。
图2. 柔性超透镜实现亚波长超声成像分辨率的实验测量结果。a, 实验表征所设计的柔性超透镜成像分辨率，其可分别0.9 mm（1 MHz）间隔的物体; b, 本研究与部分已有研究中所实现的成像分辨率结果对比；c-d, 多空结构仿体样本及存在微裂缝的皮质骨组织切片样本；e-f, 对应样本的的超声图像；g-f, 在超声图像中映射样本几何轮廓，以对比成像准确度。
在高成像分辨率的基础上，通过径向拉伸/放缩柔性超透镜（ɛ = 1、ɛ = 1.07和ɛ = 1.13）以动态地调节成像平面的位置，对3片位于不同位置、具有不同骨裂缺损程度的皮质骨组织切片进行选择性动态变焦成像，通过重建图像以准确检测骨裂部位的情况，量化评估超声成像骨裂诊断的有效性。实验结果表明，不同深度的骨组织切片均具有清晰准确的超声图像，成像质量在变焦过程中鲁棒性强，超声图像表征的结构饱和度与实际骨裂部位的缺损程度一致。高分辨率超声成像以安全无辐射、精确高效的检测方式将有效地反映皮质骨骨裂部位及其周围组织的真实情况，为骨质精确诊断与评估提供了关键支持。
图3. 基于柔性超透镜超声成像的骨裂精准诊断。a, 实验装置照片；b-d, 3片具有不同缺损程度的皮质骨组织切片样本，其置于a中所示的3个不同位置以验证变焦成像效果。e-g及h-j, 对应的超声图像及与样本几何轮廓的映射图；k-m, 不同样本超声图像与真实样本的对比度噪声比（CNR）、信噪比（SNR）、图像饱和度（Saturability）、结构相似度（SSIM）及峰值信噪比（PSNR）等参数对比结果。
利用柔性超透镜对具有健康基质、骨质减少和骨质疏松三种不同骨小梁稀疏程度的松质骨组织切片进行超声成像，重建图像清晰表征了各骨组织中的骨小梁结构分布。以高成像分辨率和高灵敏度定量映射得到超声声速、衰减、骨密度、弹性模量等指标参数，并通过分析超声测量结果和Micro-CT测量结果之间的相关性，建立了基于高分辨率超声影像的多指标骨质评价体系。超声重建图像表征的骨质变化趋势与实际样品的真实变化一致，基于柔性超构透镜的高分辨率超声成像方法提供了与标准Micro-CT测量结果相匹配的、准确可靠的骨密度评估，为骨质疏松的早期筛查和大范围普查提供了有效手段。
图4. 基于柔性超透镜超声成像的骨质疏松状况多参数评估。a-c,健康基质、骨质减少和骨质疏松的3片松质骨组织切片样本；d-f及g-i,对应的组织超声图像及真实样本轮廓映射图；j-k,超声成像技术与Micro-CT测得的衰减系数相关性分析结果；l-n,超声成像技术与Micro-CT测得的组织密度相关性及差异性分析结果；o,柔性超透镜超声成像方法所构建的组织密度、声速、杨氏模量三维参数分析结果；p,骨密度、超声衰减量、杨氏模量三位参数分析结果，可提供骨质状态的弹性、密度等多参数信息。
本研究面向高分辨率可变焦的超声成像技术难题，开展了物理声学、材料科学和生物医学的多学科交叉研究，设计了柔性可拉伸超透镜，并发展了在精准骨微结构评估中的初步应用。未来研究中将进一步与现有医用超声成像设备结合，实现对在体组织的实时超分辨超声成像及诊疗。
该研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目、重点项目、优秀青年基金项目、国家重点研发计划及上海市基础研究领域项目的资助与支持。
课题组长期开展声学基础物理与医学超声结合的交叉科学研究，常年招收博士、硕士研究生及博士后，欢迎大家加入我们。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202312221
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