问题——深部活体成像往往难以同时“看得见”又“看得清”。 活体组织，尤其是脑部深层结构与功能成像，长期受“光学扩散屏障”限制。经颅成像中，颅骨会引入更强的散射、吸收和传播畸变，使传统光学显微难以实现高分辨率的深层观察。光声成像采用“光激发—声探测”机制，在一定程度上避开纯光学探测的衰减限制，但仍面临深度与分辨率的物理权衡：高频超声分辨率更高却穿透不足，低频超声穿透更深但细节更易丢失，“深而不清”成为应用瓶颈。 原因——硬件误差与异质介质传播叠加，放大成像退化。 在低频光声成像中，为获得更大成像深度往往需要更快的扫描速度和更大的覆盖范围，这对系统稳定性提出更高要求。激光脉冲能量波动、机械扫描的细微偏差都会在体积数据中累积，带来信噪比不均和重建伪影。另外，经颅等异质介质会导致声速分布不均、声束偏折和能量衰减，传统重建方法难以充分校正不同传播路径造成的失真，使低频探测在复杂组织条件下更难恢复清晰结构。 影响——无创脑监测、肿瘤评估等应用需要更可扩展的方案。 随着脑科学研究、神经疾病评估和肿瘤精准诊疗推进，临床与科研对“无创、深部、高分辨率，并可获取功能与代谢信息”的成像手段需求不断增加。尤其在经颅监测、脑血管与血氧等功能指标观察、小动物多波长分子影像等方向，如果无法在安全、可重复的条件下获得稳定清晰的深层图像，将直接影响长期随访、药效评价和机制研究的可靠性与可比性。因此，提升异质组织环境下低频光声成像的细节解析能力，具有现实紧迫性。 对策——以“硬件稳定+计算增强”协同提升低频成像质量。 针对上述难题，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所张雅超研究员团队提出基于低频超声换能器的计算光声介观显微新框架，从采集与重建两端同时改进。 其一，在硬件与采集端建立高速稳定扫描体系，提出逐脉冲激光能量补偿与逐点空间位置校正的双策略：通过光电二极管实时监测并校正激光能量波动，并结合高精度编码器进行点对点定位校准，从源头减少能量漂移与机械误差引起的数据不一致，保证高速扫描下仍能获得均匀、稳定且信噪比较高的体积数据，为重建提供可靠输入。 其二，在计算重建端提出方向加权角谱合成方法，将低频超声的深穿透优势与合成孔径聚焦思路结合，并在多声速模型框架下引入频域空间角度加权，对不同传播路径的信息进行增强与补偿，以提升三维分辨率与结构保真度。该策略面向颅骨、植入物等典型异质介质场景，重点缓解声传播路径复杂导致的细节损失，与硬件补偿形成“采集—重建”闭环。 前景——多场景验证显示潜力，技术路线具备延展空间。 研究团队进行了系统的体外与活体验证。在组织仿体、离体小鼠颅骨以及人体PMMA颅骨修复材料等条件下，该方法的深层横向分辨率较传统方法分别提升32.5%、40%和46%，显示其在异质组织遮挡与扰动条件下的成像恢复能力更强。活体实验中，该框架实现经颅脑血管成像，并在小动物全身深层多波长与分子代谢成像、肿瘤可视化以及无标记人体皮肤血管成像等任务中展示出跨尺度、跨场景适用性。 从发展趋势看，以低频深穿透为基础、以采集稳定性和计算重建提升为支撑的路线，为深部高分辨成像提供了更可落地的方案：一上有望提高经颅无创监测的一致性与可用性，另一方面也为小动物分子影像、肿瘤评估等需要纵深观察的研究提供新的技术基础。对应的成果以“Deep computational photoacoustic mesoscopy through heterogeneous tissues enabled by scanning compensation and angular-spectrum enhancement”为题发表于国际期刊《Photoacoustics》。
深部活体成像的难点既受物理规律限制，也受工程实现复杂度影响。此次研究以系统化思路回应“深与清”的长期矛盾，说明了从单点改进走向“硬件—算法—应用”协同优化的方向。未来，成像稳定性、可重复性与临床可用性的持续提升，将决定这类技术能否从实验室走向更广泛的科研与医学场景，为生命健康研究提供更有效的深部观测手段。