全球每年有超過200萬女性被確診為乳腺癌，這是女性發(fā)病率最高的惡性腫瘤。在乳腺癌的診療過程中，活檢后進(jìn)行組織標(biāo)記是多項(xiàng)國際指南推薦的標(biāo)準(zhǔn)流程，醫(yī)生需要在病灶部位植入一個標(biāo)記物，以便后續(xù)隨訪和手術(shù)時(shí)能夠使用影像學(xué)手段準(zhǔn)確定位。

然而，當(dāng)前廣泛使用的金屬組織標(biāo)記物存在三大痛點(diǎn)：一是超聲圖像下難以辨識，常常顯示為一片模糊區(qū)域，識別高度依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)；二是金屬材料不可降解，殘留體內(nèi)；三是硬質(zhì)材料與軟組織力學(xué)不匹配，容易移位并造成組織損傷。

2026年5月22日，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院臧劍鋒、唐瀚川團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上發(fā)表了題為“Bandgap-enabled ultrasound tissue marking by a biodegradable metastructured hydrogel implant"的研究論文，提出了一種全水凝膠、可降解、可經(jīng)18G穿刺針注射的超聲組織標(biāo)記物。該研究通過聲學(xué)帶隙設(shè)計(jì)，使標(biāo)記物能夠反射特定頻率的超聲波，借助頻率-顏色映射技術(shù)，在常規(guī)B超圖像上疊加彩色信號，實(shí)現(xiàn)直觀、準(zhǔn)確的彩色超聲組織標(biāo)記。研究為乳腺癌的精準(zhǔn)診斷與治療提供了全新的解決方案。

• 現(xiàn)有組織標(biāo)記物的困境

在乳腺癌診療中，組織標(biāo)記物的核心功能是標(biāo)記活檢部位，便于后續(xù)治療隨訪中的精確定位。然而，當(dāng)前主流標(biāo)記物幾乎都采用不銹鋼、陶瓷等高模量、高密度材料。這是由B模式超聲成像原理決定的：使用硬質(zhì)材料能增強(qiáng)反射聲波幅度，從而與軟組織形成對比。然而，這種設(shè)計(jì)帶來了不可避免的問題。由于B超的空間分辨率遠(yuǎn)低于X射線和磁共振成像，標(biāo)記物的形狀細(xì)節(jié)幾乎無法分辨，在圖像上只是一團(tuán)模糊的高亮區(qū)域。加之B超缺乏頻率特異性，任何高回聲組織都可能造成干擾，標(biāo)記物識別嚴(yán)重依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)。

臨床上為改善辨識度，不得不將標(biāo)記物尺寸設(shè)計(jì)得更大（通常約5 mm），但這進(jìn)一步增加了植入創(chuàng)傷和移位風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，金屬材料不可降解。部分產(chǎn)品采用聚合物涂層包裹，但核心金屬組件在涂層降解后仍然殘留，無法實(shí)現(xiàn)真正的全降解。一個柔性、可降解、且具有強(qiáng)辨識性的組織標(biāo)記物，一直是該領(lǐng)域未能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

• 從“形狀辨識"到“頻率指紋"

面對這一困境，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用聲學(xué)帶隙這一物理原理，設(shè)計(jì)了全新的解決方案（圖1）。

所謂聲學(xué)帶隙，指的是特定周期性結(jié)構(gòu)（即超結(jié)構(gòu)）能夠反射特定頻率范圍內(nèi)的聲波。該團(tuán)隊(duì)在柔軟的水凝膠（PVA，聚乙烯醇）內(nèi)部構(gòu)建了按特定規(guī)律排列的空氣微腔陣列，這些微腔如同一組“微型音叉"，當(dāng)超聲波照射時(shí)，每一組微腔都會反射出特定頻率的聲波。

通過精細(xì)設(shè)計(jì)微腔的直徑和間距，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對不同掃描線上反射波頻率的精準(zhǔn)調(diào)控。每個標(biāo)記物都擁有“頻率指紋"。在成像端，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了頻譜超聲成像技術(shù)：通過對感興趣區(qū)域進(jìn)行線掃描，獲取時(shí)域回波信號，經(jīng)過快速傅里葉變換后提取頻率特征，最后將頻率映射為顏色，疊加在常規(guī)B超圖像上。如此一來，超結(jié)構(gòu)水凝膠（簡稱超凝膠）標(biāo)記物以特征色塊的形式清晰呈現(xiàn)，醫(yī)生可以直觀定位，不再依賴經(jīng)驗(yàn)判斷。在保證辨識性的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)將標(biāo)記物尺寸做到了僅1.5×1×1 mm3，能夠通過臨床常用的18G穿刺針直接植入，大幅降低了對患者的創(chuàng)傷。

• 如何讓一塊水凝膠擁有“彩色指紋"

這項(xiàng)技術(shù)的核心在于柔軟的聚乙烯醇水凝膠內(nèi)部構(gòu)筑的空氣微腔陣列，當(dāng)超聲波的頻率恰好落在某組空氣微腔超結(jié)構(gòu)的“帶隙"范圍內(nèi)時(shí)，聲波就會被全反射。其中空氣微腔陣列模具是由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10μm）制備而成。

具體來說（圖2）：

·結(jié)構(gòu)決定頻率
每一組空氣微腔的排列周期（晶格常數(shù)a）和微腔直徑（d）共同決定了該結(jié)構(gòu)反射的超聲中心頻率。通過讓不同掃描線上的微腔直徑梯度變化，就可以產(chǎn)生一系列漸變的反射頻率。

·從“回波"到“顏色"

常規(guī)B超只能看到灰度明暗。而該工作開發(fā)了頻譜超聲成像方法：先用超聲線掃描獲取感興趣區(qū)域的時(shí)域回波信號，再通過快速傅里葉變換將每個位置的信號轉(zhuǎn)換為頻譜。由于不同位置反射的頻率不同，最終形成一條頻率曲線，這條曲線就是標(biāo)記物“頻率指紋"。將每個位置的峰值頻率映射為特定的顏色（例如低頻為紅、高頻為藍(lán)），再疊加到黑白B超圖像上，就得到彩色超聲圖像。這樣，醫(yī)生無需依賴經(jīng)驗(yàn)判斷模糊的高亮區(qū)域，而是直接看到一塊特征鮮明的色塊——這就是“彩色超聲組織標(biāo)記"。

·角度與壓縮不改變本質(zhì)
論文通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明，即使穿刺后標(biāo)記物發(fā)生小角度旋轉(zhuǎn)，或被超聲探頭輕微按壓（壓縮應(yīng)變 < 15%），其整體頻率梯度關(guān)系依然保持不變。這種穩(wěn)健性確保了在真實(shí)臨床環(huán)境下，標(biāo)記物仍能被準(zhǔn)確識別。

• 多病灶兼容與活體驗(yàn)證

乳腺癌常表現(xiàn)為多發(fā)病灶，需要植入多個標(biāo)記物以便區(qū)分不同類型的病灶。研究團(tuán)隊(duì)展示了“可擴(kuò)展的頻率指紋"設(shè)計(jì)理念：通過調(diào)整微腔的晶格常數(shù)，三種標(biāo)記物在超聲圖像上分別呈現(xiàn)為藍(lán)、綠、紅三種顏色，如同三色編碼一般易于區(qū)分。團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了更為豐富的頻率序列模式，使不同標(biāo)記物具備類似于指紋的獨(dú)特標(biāo)識（圖3）。

在活體豬乳腺組織的實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)記物被成功植入真實(shí)乳腺組織，在超聲引導(dǎo)下定位清晰。即使在存在大量高回聲組織的背景干擾下，特征顏色依然能夠從B超圖像中脫穎而出，與高回聲干擾形成鮮明對比。五秒內(nèi)的連續(xù)監(jiān)測顯示，標(biāo)記物的頻率指紋在呼吸、心跳等生理擾動下保持相對穩(wěn)定，滿足臨床隨訪的使用需求。

長期穩(wěn)定性方面，大鼠皮下植入6周的跟蹤顯示，標(biāo)記物的頻率指紋保持穩(wěn)定，且降解速率可根據(jù)不同應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，標(biāo)記物在MRI和CT掃描中不產(chǎn)生任何偽影，而金屬標(biāo)記物則會在MRI中造成嚴(yán)重的圖像扭曲，在CT中也產(chǎn)生顯著的偽影干擾（圖4）。

展望未來，該技術(shù)平臺有望進(jìn)一步拓展至更廣泛的應(yīng)用場景。首先，由于頻譜超聲成像能夠解析標(biāo)記物的微小頻率變化，該技術(shù)可被用于精確追蹤病灶區(qū)域的細(xì)微形態(tài)學(xué)演變，在病理學(xué)改變發(fā)生前提供預(yù)警。其次，該技術(shù)有望超越組織標(biāo)記這一范疇，通過分析與微環(huán)境相互作用下的“動態(tài)指紋"，實(shí)現(xiàn)更多生理參數(shù)的可視化監(jiān)測——例如局部pH變化、酶活性異?；蜓装Y因子水平，為無創(chuàng)的早期病理識別和個性化健康管理提供全新的技術(shù)路徑。

該研究的第一作者為華中科技大學(xué)博士生潘章琪，臧劍鋒教授與唐瀚川副教授為共同通訊作者。研究工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等多個項(xiàng)目的支持。