微機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，尤其在靶向給藥、微創(chuàng)手術(shù)等方面具有革命性潛力。然而，實(shí)時(shí)可視化這些微觀尺度的機(jī)器人在深層組織中一直是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的成像技術(shù)如磁共振成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描和X射線無(wú)法以實(shí)時(shí)分辨率監(jiān)測(cè)微米級(jí)物體。超聲成像雖具備實(shí)時(shí)能力和深層組織穿透性，但其空間分辨率和信號(hào)衰減問(wèn)題限制了在微機(jī)器人可視化中的應(yīng)用。本研究提出了一種創(chuàng)新方法，通過(guò)聲學(xué)誘導(dǎo)微機(jī)器人的結(jié)構(gòu)振蕩產(chǎn)生偽多普勒信號(hào)，利用彩色血流映射（CFM）超聲成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了個(gè)體微機(jī)器人的實(shí)時(shí)可視化。該方法使用兩個(gè)不同頻率帶寬的超聲源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于氣泡的微機(jī)器人的定位和激活，成功捕獲了直徑60至80微米的微機(jī)器人，展示了微尺度實(shí)時(shí)超聲成像的潛力。

本研究的重大發(fā)現(xiàn)由Cornel Dillinger、Ahilan Rasaiah、Abigail Vogel、Chaimae Bahou、Katia Monastyrskaya、Ali Hashemi Gheinani和Daniel Ahmed*共同完成。論文題為“Real-time color flow mapping of ultrasound microrobots”，于2025年發(fā)表在《SCIENCE ADVANCES》期刊上。這項(xiàng)研究為微機(jī)器人實(shí)時(shí)成像提供了新思路，突破了傳統(tǒng)超聲技術(shù)的局限。

重要發(fā)現(xiàn)
01核心貢獻(xiàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
本研究的核心貢獻(xiàn)在于開(kāi)發(fā)了一種基于CFM超聲成像的實(shí)時(shí)可視化技術(shù)，專門(mén)用于跟蹤和成像聲學(xué)驅(qū)動(dòng)的氣泡基微機(jī)器人。微機(jī)器人通常由聚合物外殼包裹微氣泡構(gòu)成，其尺寸約為73微米，通過(guò)聲學(xué)刺激誘導(dǎo)氣泡振蕩，產(chǎn)生高頻運(yùn)動(dòng)信號(hào)。這種信號(hào)被超聲系統(tǒng)捕獲為偽多普勒頻移，從而在CFM模式下顯示為彩色點(diǎn)狀圖案，實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度成像。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括使用3D打印技術(shù)制備微機(jī)器人，并將其置于瓊脂基體�；螂x體小鼠膀胱中，通過(guò)線性陣列超聲探頭（成像頻率4.0至16.0 MHz）進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。與光學(xué)成像方法（如倒置顯微鏡）相比，超聲成像能夠穿透深層組織（最高達(dá)10厘米），并保持實(shí)時(shí)反饋能力，彌補(bǔ)了光學(xué)技術(shù)在穿透深度上的不足。

深度組織成像實(shí)驗(yàn)展示了該技術(shù)在高達(dá)10厘米穿透深度下的有效性。在體模中，CFM模式能清晰識(shí)別微機(jī)器人，而B(niǎo)模式僅顯示模糊信號(hào)。實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)成像部分通過(guò)自由游動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，微機(jī)器人在聲學(xué)驅(qū)動(dòng)下可執(zhí)行特征性運(yùn)動(dòng)（如球形軌跡），并被超聲系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕獲。此外，在離體小鼠膀胱模型中，注入微機(jī)器人后，CFM信號(hào)成功可視化其向膀胱壁的運(yùn)動(dòng)，突出了該技術(shù)在生理環(huán)境中的適用性。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破的成像難題
本研究突破了超聲成像在微米尺度分辨率不足的長(zhǎng)期難題。傳統(tǒng)超聲技術(shù)因信號(hào)衰減和波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于微物體尺寸，難以可視化個(gè)體微機(jī)器人。通過(guò)利用氣泡基微機(jī)器人的聲學(xué)振蕩特性，生成偽多普勒信號(hào)，CFM模式將分辨率提升至微觀水平，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)跟蹤。這解決了磁共振成像實(shí)時(shí)性差、X射線有輻射風(fēng)險(xiǎn)、以及光學(xué)成像穿透淺等問(wèn)題，為微機(jī)器人介入治療提供了可靠的視覺(jué)反饋。

03應(yīng)用前景
該成像技術(shù)不僅限于微機(jī)器人跟蹤，還可擴(kuò)展至細(xì)胞操縱或組織工程。例如，在聲學(xué)輔助3D打印中，實(shí)時(shí)成像能指導(dǎo)細(xì)胞組裝，提高生物結(jié)構(gòu)構(gòu)建的精度。結(jié)合人工智能信號(hào)處理，未來(lái)或能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化診療，推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療發(fā)展�？傮w而言，這項(xiàng)研究將超聲成像的臨床應(yīng)用邊界擴(kuò)展到微觀世界，為微創(chuàng)醫(yī)學(xué)設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)與展望
本研究成功開(kāi)發(fā)了一種基于CFM超聲成像的實(shí)時(shí)可視化方法，有效解決了微機(jī)器人在深層組織中的跟蹤難題。通過(guò)聲學(xué)誘導(dǎo)氣泡振蕩產(chǎn)生偽多普勒信號(hào)，技術(shù)在體模和離體模型中驗(yàn)證了其高分辨率、深穿透和實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，工作可進(jìn)一步優(yōu)化氣泡穩(wěn)定性，延長(zhǎng)成像時(shí)長(zhǎng)，并探索在活體動(dòng)物中的長(zhǎng)期安全性。隨著聲學(xué)微機(jī)器人技術(shù)的成熟，這種成像方法有望在靶向治療、疾病診斷和精準(zhǔn)醫(yī)療中發(fā)揮核心作用，最終推動(dòng)微創(chuàng)醫(yī)療向更安全、高效的方向發(fā)展。

DOI:10.1126/sciadv.adt8887.