Nature Biomedical Engineering｜声波视界的全面重塑：加州理工学院研发全断面人体超声断层扫描，如何开启“透明医疗”新纪元

长期以来，全断面人体超声成像被认为是一项不可能完成的任务。核心挑战源于声波在复杂生物体内的物理极限：人体横截面直径通常在30厘米左右，声波在如此深度的组织中穿行，会经历严重的衰减与多重散射。此外，骨骼的强反射与肠道气体的阻隔，往往会让传统超声波束在深层组织处消失殆尽。

该研究第一项核心创新在于硬件构型。他们摒弃了传统的手持探头设计，开发了一个直径达60厘米的定制环形接收阵列。这一阵列由512个均匀分布的压电单元组成。为了确保极高的接收灵敏度与频带宽度，研究团队选用了PVDF-TrFE（聚偏二氟乙烯-三氟乙烯）压电聚合物作为核心材料。

与临床常用的PZT压电陶瓷相比，PVDF-TrFE具有与水和人体组织更接近的声阻抗（约4.2 MRayl vs 水的1.5 MRayl），这显著减少了界面处的声能量损失。此外，该团队在每一个接收单元后端都直接集成了低噪声并行前置放大器，提供15 dB的电压增益，这种“前置放大”策略在信号被电缆噪声淹没前就将其增强，确保了微弱的穿透信号能被精准数字化。

与之配合的是一个围绕受试者旋转的单单元发射器（Olympus V395）。通过这种旋转机制，系统可以在受试者单次憋气的10秒钟内，完成整个断面360个角度的数据采集。这种全方位采集模式从根本上消除了单向超声探头的视野死角，让原本隐藏在骨骼或空气背后的结构无处遁形。

为了在不产生热损伤（即遵守机械指数MI安全标准）的前提下探测人体深层，该研究引入了线性扫频信号（Chirp signal）。系统发射一个跨度从0.3 MHz到2.0 MHz的长达400微秒的扫频脉冲，这相比于传统的极短脉冲（Short pulse），能够在相同峰值功率下注入更多的声能量。

在后端处理中，通过将接收到的信号与水参考信号进行互相关（Cross-correlation），系统实现了脉冲压缩。这一算法巧妙地将漫长的能量注入转化为高空间分辨率的脉冲响应。这种方法的信噪比增益大致等于扫频时长与带宽乘积的平方根，这正是UST系统能够穿透30厘米人体断面并维持0.9毫米面内分辨率的物理奥秘。

下表展示了该系统与现有高性能超声模态的技术参数对比：

当这项技术从实验室台架走向健康志愿者时，它展现出了惊人的全断面解析力。在文章中详述了对5名受试者的扫描结果，重点展示了腹部和腿部的连续成像。

在针对一名31岁女性受试者的扫描中，UST系统生成的横截面切片宛如一张详尽的解剖图谱。在10秒的快速扫描中，图像清晰地呈现了肝脏、胃、肾脏、腹主动脉、下腔静脉以及椎体。这些结构在传统的单向超声下往往因为气体干扰或深度过大而变得模糊，但在全方位UST下，每一个器官的边界都显得极为锐利。

研究团队利用自动化分割工具，将这些切片以1厘米为步长进行了垂直堆叠。这种“立体”视野让临床医生能够观察到器官在空间上的真实排布。例如，在针对大腿断面的成像中，UST不仅准确识别出了股骨的位置，还清晰地区分出了缝匠肌、股四头肌等复杂的肌肉群组以及周围的脂肪分界面。

这种全断面成像的一个潜台词是“去人为化”。传统超声的诊断质量极度依赖于超声医生的手法和角度，被称为“最主观的影像学检查”。而UST通过水箱浸入式扫描（Water immersion），实现了受试者位置的标准化与扫描路径的完全自动。这意味着，无论是在纽约还是在北京，只要设备标准统一，获取的影像结果就具有极高的可重复性。

为了验证UST的准确性，研究团队将扫描结果与3-T临床MRI（西门子Prisma）进行了1:1的像素级对比。这是决定UST能否进入主流诊断流程的关键一步。

通过以肚脐为解剖参考点，研究人员发现UST与T1加权MRI在识别腹部核心结构方面展现了极高的一致性。在图3中，从肝脏的边缘轮廓到椎管内脊髓的微小反差，UST均能精准还原。虽然在骨骼内部结构的呈现上，声波受限于物理特性无法完全穿透（表现为椎体背侧的阴影），但在软组织对比度上，UST表现出了接近甚至在某些边界处优于MRI的解析能力。

尽管MRI在软组织分辨率上仍是“王者”，但其缺点同样明显。Lihong V. Wang教授指出，全断面UST的成本仅为MRI的几分之一，且不需要昂贵的电磁屏蔽室。更重要的是，对于带有金属植入物（如心脏支架、起搏器）的患者，MRI是绝对的禁区，而磁场无关的UST则毫无压力。

全断面UST最令业界兴奋的特征，并非只是“拍了一张更大的照片”，而是它首次在人体尺度上提供了两个定量的物理参数：声速地图与衰减系数地图。

声速不仅是一个声学参数，更是组织刚度和成分的指示器。Lihong V. Wang团队在透射模式下（Transmission mode），通过分析声波穿透人体的到达时间差，重建了23岁受试者的全断面声速图。实验观察到，肝脏的声速显著高于周围组织，这与肝脏富含蛋白质和实质密度的生理特性完全吻合。

这种定量能力为肝硬化、非酒精性脂肪肝（NAFLD）的早期筛查开启了新大门。目前的B超诊断主要依赖于医生对回波亮度的视觉判断（“亮肝”），而UST可以直接给出一个声速的绝对数值。如果组织发生纤维化或脂肪变性，其声速会发生微小但可测量的偏移，这种“数值化诊断”将极大提高慢性病监测的灵敏度。

与声速图并行的是衰减系数地图。该图描绘了组织对声能量的吸收率。在图4d中，研究者观察到脊柱和胃部（由于气体积聚）显示出极高的衰减，而肝脏则相对透明。

声学衰减的异常往往是炎症或早期病变的预兆。肿瘤由于其内部微结构的紊乱和钙化，通常会表现出不同于健康组织的衰减模式。通过结合声速与衰减的双参数图，UST有潜力像PET-CT发现高代谢灶一样，发现人体内的“声学代谢”异常。

在心血管与代谢健康领域，脂肪不仅关乎体重，更关乎分布。全断面UST在这一领域展现出了此前只有MRI才能达到的解析深度，且更具实操优势。

通过全断面扫描，UST能够清晰区分人体腹部的三层关键脂肪：浅层皮下脂肪（SAL）、深层皮下脂肪（DAL）以及腹直肌深处的前腹膜脂肪（PA）。其中，SAL和DAL由浅筋膜（Scarpa’s fascia）明确界定。对于一名BMI为18.8的消瘦受试者，UST测得的脂肪厚度与MRI脂肪专用序列的高度一致（误差<1mm）。

更具价值的是对前腹膜脂肪（PA）的识别。PA是内脏脂肪堆积的直接信号，其厚度与糖尿病、高血压的发生率呈高度正相关。在27岁男性受试者（BMI 25.1）的扫描中，UST精准捕捉到了腹直肌后方的PA层，这在传统手持超声中几乎是不可见的。

这种非接触、无挤压的脂肪测量方式具有巨大的商业化潜力。目前的减肥药物研发（如GLP-1受体激动剂）急需一种能频繁使用、安全且定量的工具来监测患者脂肪分布的改变。

这项研究的最后一部分，也是最具实战意义的突破，是解决了介入放射学中的一个长久痛点：深层活检针的定位。

目前，进行深部病灶（如肝脏、胰腺肿瘤）活检时，医生通常需要依赖CT引导，但这需要患者暴露在大量辐射中，且流程极其缓慢。汪立宏团队提出了一种颠覆性的方案：将商业活检针改造成一个“声学波导”。

通过在针柄上附加一个小型换能器，声信号可以沿着不锈钢针身高效传导，并从针尖尖端向四周均匀发射。环形接收阵列像GPS卫星捕捉信号一样，从360度捕捉来自针尖的散射波。通过后端算法，系统能以每秒30帧的超高频率（即视频速率），将针尖的位置以亚毫米级的精度实时叠加在解剖切面上。

在针对离体猪肉（Porcine tissue）的实验中，即使针体以较快速度插入，UST系统依然能够毫无延迟地锁死针尖位置，并准确显示其相对于周围肌肉和脂肪层的位置关系。

这项技术预示着一个不需要CT、不需要反复定位的活检新时代。对于胰腺等隐蔽器官的活检，全断面实时导航不仅缩短了手术时间，更将穿刺风险降到了最低。

研究并非孤立存在，它正处于超声影像产业的一个巨大转折点上。

目前，UST技术已从实验室走向资本市场。总部位于加州的 QT Imaging 正在推广其基于定量传输（Quantitative Transmission）的3D乳腺超声系统。2026年，该公司获得了一项重要的里程碑：美国医学会（AMA）为其批准了新的CPT代码（Category III X579T），这标志着UST检查开始进入标准的医疗保险报销体系。

与此同时，Delphinus Medical Technologies 旗下的 SoftVue™ 系统已在美国数十家顶尖癌症中心装机。其针对致密乳腺的筛查能力显示，相较于传统的乳腺钼靶，UST能够额外发现20%的隐藏肿瘤。

Lihong V. Wang教授个人也在积极推动产业转化。他所创办的 CalPACT 公司以及位于中国的姐妹公司 Union Photoacoustic Technologies（众合光声），正致力于将专利授权转化为更便携的全身UST扫描仪。这些设备的目标是将这种“水浴式CT”微缩化，甚至在未来取代现有的床旁超声（POCUS）。

如果没有人工智能的加持，海量的全断面UST数据将淹没放射科医生。目前，深度学习算法正被快速整合进UST的重建与分析环节。

• 全自动标注：像Rb-UNet和Tiramisu这样的3D深度学习网络，已经能够以超过90%的Dice系数实现对肝脏、肾脏、腰大肌的自动化分割。

• 诊断决策支持：Koios Medical 等公司的AI工具已被证明能将良性病变的误诊率降低60%以上。

• 物理重建优化：通过全波形反演（FWI）算法，AI正被用来消除颅骨或复杂阻抗界面带来的伪影，使“穿透头骨”的UST成像成为可能。

站在2026年的时间点回望，全断面人体UST的出现可能标志着超声技术诞生七十年来最重大的一次“范式转移”。

Lihong V. Wang教授实验室的野心并未止步于此。他们正在推进一种名为 RUS-PAT（旋转超声与光声断层扫描）的混合同步平台。通过在UST系统中集成脉冲激光，系统可以同时捕获解剖结构（超声）与血管功能（光声）。

这意味着医生不仅能看到肿瘤的大小和硬度，还能看到肿瘤内部的微血管网路和血氧饱和度。这种“解剖+代谢”的双重维度，此前只有昂贵且涉及示踪剂的PET-CT才能实现。而现在，仅仅依靠光与声的和谐共振，我们就能在1分钟内完成这一切。

全断面UST的终极图景，是打破影像检查的“空间壁垒”。由于它无需强磁场和电离辐射，未来的UST系统可以像大型按摩浴缸一样部署在健身房、药店或养老社区中。人们可以定期进行“声波扫描”，实时追踪自己的内脏脂肪、骨密度和器官硬度变化。

这种低成本、高频次的纵向监测（Longitudinal Monitoring），将把现代医学从“治疗疾病”推向真正的“健康管理”。Lihong V. Wang教授在论文结尾描绘了这样一个愿景：未来的影像检查将不再是一次沉重的、充满焦虑的医院之旅，而是一种像游泳或沐浴一样自然的生活习惯。

从1950年代粗糙的单传感器水箱，到2026年精密的全断面512元阵列，超声技术绕了一个圈，最终回到了它的起点，却在更高的维度上完成了蜕变。Lihong V. Wang团队的工作告诉我们：声音的潜力，才刚刚被人类听见。