光声成像（PAI）是一种具有广泛应用前景的成像方法。为了获得高质量的图像，满足特定应用需求的适当检测技术至关重要。光声（PA）检测技术通常基于以下两种主要方法：超声换能器和光学传感。
据麦姆斯咨询报道，近日，韩国浦项科技大学（POSTECH）、Opticho公司和韩国科学技术院（KAIST）的研究人员组成的团队在npj Acoustics期刊发表了题为“Advancements in photoacoustic detection techniques for biomedical imaging”的综述论文，介绍了基于超声换能器和光学传感的光声检测技术的检测原理和最新进展，从传统技术到先进技术的演变。最后，通过提供详细的分类，总结了每种技术的主要特点。
典型的光声成像系统由以下关键组件构成：光源、声学探测器和数据采集系统（DAQ）。光源提供必要的光激励以产生光声信号，光源发出的光束可以通过聚焦透镜或扩束器等光学系统根据具体应用进行调节。产生的光声波通过各种检测方法转换为电信号，数据采集系统将这些信号处理为可用数据。随后通过图像重建算法将采集和数字化的光声信号重建为图像。
多种光声检测方法已经被研究，本综述详细探讨了这些检测方法，并将其分类（如图1）。
图1 光声检测方法分类
压电式超声换能器将声波的机械能转换为电能，通常用于一般的光声成像系统中。先进的换能器类型主要包括压电式微机械超声换能器（PMUT）以及电容式微机械超声换能器（CMUT），这些先进的换能器提供了更好的性能，并具有可定制的尺寸和形状。
与超声换能器不同，光学传感通过感应声压引起的光学系统变化来检测光声信号。光学传感可以高灵敏地检测宽带信号，不受介质耦合的限制，从而实现更精确的微生物结构成像。研究人员主要探讨了包括法布里-珀罗干涉仪、微环谐振器、平凹型（plano-concave）谐振器和遥感在内的光学传感技术，重点介绍了它们的探测机制和最新应用。
基于超声换能器的光声检测
传统压电换能器
传统压电换能器已被广泛用于检测光声信号。超声换能器中使用的常见压电材料包括聚偏氟乙烯（PVDF）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3）和铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）。由于压电换能器既可以作为超声波的发射器，也可以作为接收器，因此它们适用于超声和光声成像。
使用传统压电换能器进行的光声研究可以根据是否使用单元件换能器或多元件换能器进行分类，这取决于具体应用目的。单元件压电换能器通常用于光声显微镜（PAM），该技术专注于相对较小的浅表区域的高分辨率成像。
另一方面，多元件压电换能器通常应用于光声计算机断层扫描（PACT），它可以同时从较大区域捕获光声信号。光声计算机断层扫描提供了更广的视场（FOV）、更快的采集时间以及超越光学扩散极限的更深层图像，使其在临床前和临床研究中具有重要价值。这种功能对于较大的解剖结构（例如整个器官）的全面可视化以及诊断和监测疾病的进展至关重要。
压电式微机械超声换能器（PMUT）
PMUT是一种利用微机电系统（MEMS）技术的先进压电换能器。与传统的压电换能器不同，PMUT基于压电薄膜，具有减小的尺寸、增强的带宽和灵敏度、较低的功耗、有效的声学匹配和潜在的柔性等优势。
图2 使用PMUT阵列检测的光声成像
电容式微机械超声换能器（CMUT）
与传统的压电换能器相比，CMUT具有多项优势。CMUT采用光刻技术和MEMS技术制造，可以很容易地制作成各种几何形状和尺寸，甚至适用于高工作频率。这种多功能性促使人们对其在光声内窥镜中的应用进行了广泛的研究。
图3 使用CMUT检测的光声成像
超声换能器的最新进展
传统超声换能器通常是不透明的，这给集成光声光源和声探测器带来了挑战，导致信噪比较低和探头尺寸庞大。为了解决这个问题，最近的研究集中在开发光学透明的超声换能器上，这种换能器允许光轴和声轴共对准，简化和优化了集成工艺。目前，已有基于压电材料和CMUT的光学透明换能器的研究报道。
此外，柔性阵列换能器已成为开发身体适形或可穿戴光声成像设备的有前景的解决方案。
图4 使用新开发的超声换能器的光声成像
基于光学传感的光声检测
光学传感能够以更高的灵敏度获取宽带信号，并利用光学透明性实现微型化结构。这些优点有望提升光声成像的多功能性和成像质量。
法布里-珀罗干涉仪
在光声成像中，法布里-珀罗（FP）干涉仪是一种重要的光学传感技术。FP传感器通过利用两面平行反射镜之间的光干涉来测量光程长度的变化。当声波引起这两面反射镜之间的距离变化时，会导致干涉图的偏移，这一变化可以被精确检测到。该变化反映了PA效应所引起的声学波动，使传感器能够有效捕捉这些信号。这种方法具有更高的灵敏度和更宽的带宽，同时具备光学透明性，从而提升了成像质量。基于FP的光声成像系统具有提供高空间分辨率的浅表微血管容积结构和功能成像的优势。
图5 使用FP干涉仪检测的光声成像
光纤布拉格光栅传感器
光纤布拉格光栅（FBG）传感器凭借其紧凑的尺寸和抗电磁干扰的优势，已成为光声成像中一种极具前景的光学传感技术。FBG是一种特殊的光纤，其纤芯的折射率呈周期性变化，使其能够选择性地反射特定波长的光，同时透射其它波长。当光声波在光纤中引发应变时，反射波长会发生偏移。通过精确测量这种偏移可实现对光声信号的高灵敏度和宽带宽检测。此外，通过在布拉格光栅中心引入π相位变化，可以在光栅内部形成高反射的镜面状结构，从而构造出类似法布里-珀罗腔的结构。π-相移FBG利用光学谐振增强读出信号，显著提升其在光声成像应用中的性能。
图6 使用光纤布拉格光栅传感器检测的光声成像
最后，研究人员还介绍了基于微环谐振器、平凹型谐振器、遥感技术检测的光声成像的研究进展。
小结
综上所述，这篇综述探讨了光声检测技术的研究进展，重点介绍了基于超声换能器和光学传感的方法，从多个方面对这些技术进行了综合分析比较，包括检测原理、先进性和生物医学应用等。研究人员还讨论了这些方法在高分辨率成像、深层组织可视化和无创诊断等应用中的独特优势。最后，重点介绍了检测技术的详细分类，深入比较了这些技术的特点、局限性以及在各种生物医学应用中的适用性，为读者提供了一个综合而实用的视角。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44384-025-00005-w
