万明习教授超声跨尺度血管成像与诊疗团队

一、“揭榜挂帅”攻关任务

1.攻关任务名称

经颅超声超时空分辨血管成像

2.攻关任务背景和意义

跨尺度脑血管疾病会引起脑组织病变并导致认知、精神和身体残疾，现有医学影像手段无法反映脑小血管血流功能特性与动态特性，难以支撑脑小血管病医学前沿研究和个性化诊疗。经颅超声跨尺度脑血管成像有望成为支撑多尺度脑血管结构与功能评价的新思路，将成为高端医学超声影像设备的关键技术。

当前亟需重点突破经颅超声血管/血流检测理论方法、经颅超声超分辨脑小血管成像等技术，且亟需研制具有自主知识产权的国产超声超分辨成像仪器系统。而现有技术难以克服人颅骨遮挡下成像分辨率、成像深度、检测灵敏度等相互制约的矛盾，且经颅超声脑小血管成像科研与临床仪器设备尚属空白，同时缺乏医工复合型人才支撑产业化。

团队围绕跨尺度脑血管病精准诊疗国际学术前沿和国家重大需求，建立了“理论方法研究-成像技术研究-仪器设备研制-测试评价与临床验证”的技术路线，通过超分辨脑小血管成像、高灵敏脑功能成像等提供跨尺度脑血管结构与功能信息，解决跨尺度脑血管病基础研究与临床诊疗的重大需求。

3.技术方案

（1）经颅超声血管/血流检测理论方法研究：分析经颅声驱动微泡发射次谐波受声压、悬浮时间等的影响，研究基于类高斯非线性压缩的经颅小血管流速场分布估计方法。

（2）经颅超声脑血管与脑功能成像技术研究：①高分辨脑血管造影灌注成像：结合多角度平面/发散波发射和多脉冲幅相调制提高对比度，基于流动微泡信号统计量分析提高灵敏度和信噪比；②超分辨脑小血管成像：研究自动识别高浓度流动微泡的定位方法及符合脑小血管结构和流体力学原理的微泡轨迹跟踪方法，基于深度学习优化超分辨重建过程；③高灵敏脑功能成像：基于高性能波束合成快速算法提高超快成像质量，基于相干多普勒技术增强经颅多普勒信号，基于血流动力学分析监测脑功能区瞬态血流变化；④脑血管图像智能处理：研究基于脑血管图像的血管形态学与血流动力学参量智能提取和分析技术，结合临床病理结果获取关键特征参数。

（3）经颅肿瘤治疗与神经调控技术研究：开发聚焦声涡旋场调控、复合纳米颗粒介导的经颅超声肿瘤协同治疗技术，增强肿瘤治疗效果；开发基于经颅低强度聚焦超声的非侵入性降血压技术，实现降压与靶器官保护。

（4）关键部件与系统研制：设计和研制低频经颅成像换能器，设计多物理通道并行发射与接收、高速运算和高数据吞吐率硬件系统平台，实现高帧率平面/发散波发射及多通道数据同步接收与存储。

（5）科学仪器与临床设备研制：研制具备经颅超声高分辨脑血管造影灌注成像、超分辨脑小血管成像、高灵敏脑功能成像及脑血管图像智能处理等功能的科学仪器，并结合临床需求研制临床设备。

（6）测试评价与临床验证：建立从鼠脑、食蟹猴脑等动物实验到人体预临床研究的评价路径，证实前述经颅超声脑血管与脑功能成像技术及设备的安全性和有效性，形成不同尺度脑血管相关疾病的临床诊断技术。

二、团队概况

超声跨尺度血管成像与诊疗团队由国家杰出青年科学基金获得者万明习教授为学术带头人，现有教授4人，副教授4人。

图1 团队成员

团队主要从事生物医学超声基础理论、成像与治疗技术及仪器设备的系统性研究，是40多年来亚洲生物医学超声领域培养理工科研究生最多的团队之一。曾研制成功我国第一台相控阵超声诊断仪、第一台伪随机码超声多普勒血流仪及血流成像系统、第一套256阵元相控阵HIFU治疗系统、第一套超声造影与灌注成像系统等，多项科研成果和关键技术经国内著名公司进行产业化并进入全球市场；获国家技术发明三等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省部级科技一等奖1项、中国专利金奖1项，研究工作入选2017年中国医学十大进展。

三、近三年（平台成立起）攻关领域科研情况

近三年承担攻关领域横纵向项目9项，其中省部级项目2项，国家级项目6项，发表论文38篇。成果获专利25项，其中申请专利10项，授权专利15项。

四、团队人才培养情况

2023至2025年，共招收本科生52人，硕士生65人，博士生42人。其中32人获得国家级竞赛奖项，在中国研究生电子设计竞赛中获全国总决赛研电之星（西交大首次）。开设攻关领域必修及选修课共计20门。

图2 指导学生获得全国大学生生物医学工程创新设计竞赛一等奖（左）、中国研究生电子设计竞赛全国总决赛研电之星（右）

五、合作开展情况

合作企业、医院共6家。

表1 合作企业、医院

六、转化成果

1.已转化成果

合作公司推出国际首款超声超分辨成像设备，进入国内外200余家医院开展临床应用研究，依托设备开展7项超分辨成像诊断应用多中心研究。临床专家采用设备发表国际首个超分辨成像专家共识和一批重要临床医学研究论文。

2.潜在转化成果

（1）低强度聚焦超声神经调控治疗高血压技术

超声神经调控具有非侵入性、高时空分辨率、穿透深等优势，团队使用低强度聚焦超声刺激中脑导水管周围灰质腹外侧区域（VLPAG）,建立了超声神经调控治疗高血压的实验系统与方法。在活体高血压大鼠模型上验证了其短期和持续降压效果，超声刺激可以在一周和一个月的时间内持续降低高血压大鼠的血压，带来收缩压超过20 mmHg的减少。研究表明经颅聚焦超声神经调控是一种安全无创有效的高血压治疗方法，为基于设备的高血压疗法提供了新的思路，并为今后的临床治疗提供了参考。

（2）高强度聚焦超声空蚀溶栓技术

高强度聚焦超声（HIFU）空蚀溶栓提供了一种靶向、非侵入、无需药物的血栓治疗方式，克服了药物溶栓和机械取栓存在的效率低、侵入性、易感染等弊端。团队围绕HIFU安全、高效空蚀溶栓这一目标，发展了驻波HIFU精细溶栓、声涡旋辅助HIFU高效精细溶栓、高强度声涡旋高效溶栓等方法。目前团队正在联合西安交通大学第一附属医院血管外科团队开展相关的动物实验研究。未来，该技术有望为脑梗、深静脉血栓等患者提供一种安全、高效的治疗方式。

（3）心肌与冠脉三维超快超声多模成像技术

针对心肌三维快搏运动下心肌及冠脉疾病早期、精准诊疗需求和挑战，基于面阵超快超声成像平台，团队初步探索了非线性声驱动下心肌-微泡广义解相关多模成像理论，提出了智能增强的高时空分辨的心肌3D超声成像、冠脉微循环微泡造影与灌注参量3D成像、剪切力与压力3D成像技术，部分技术已成功在机实施转化。

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李飞教授高性能压电材料与器件团队

一、“揭榜挂帅”攻关任务

1.攻关任务名称

经颅超声超时空分辨血管成像技术及设备

2.攻关任务背景和意义

脑血管疾病位居全球第二大死因（中国第一），具有高发病率、高致残率、高死亡率和高复发率。许多此类疾病在明显临床症状出现前，其早期病理改变（如微循环障碍、斑块形成和炎症）难以通过常规检测捕捉。因此，亟需开发一种无创、安全、实时且高重复性的脑血流评估技术。该任务旨在克服颅骨对超声波的衰减、散射和畸变效应，以提升颅内，尤其是深部微小血管与微循环系统的超声成像分辨率、穿透深度及影像质量。其突破将推动脑血管疾病早期精准诊断、微循环研究、术中导航和脑功能探索，具有重要的临床、科研及产业战略意义，是提升国民脑健康和推动脑科学前沿研究的重要支撑。

超声技术在医疗诊断、工业检测、水下探测等领域应用广泛，核心依赖压电材料与超声换能器的性能突破。弛豫压电单晶凭借超高机电耦合系数、优异频率稳定性等优势，成为下一代高性能超声设备的核心材料，但目前面临三大行业瓶颈：① 大尺寸单晶生长的均一性控制难，缺陷率高导致量产成本居高不下；② 单晶与换能器结构的适配性设计不足，声能转换效率与可靠性有待提升；③ 缺乏从 “材料生长 - 器件制备 - 性能检测 - 行业应用” 的全链条标准体系。医疗超声凭借无创、实时、低成本等优势，已成为临床诊断（如心血管、妇产、肿瘤筛查）与治疗（如超声消融、靶向给药）的核心技术手段，而超声换能器作为医疗超声设备的 “心脏”，其性能直接决定成像分辨率、穿透深度与治疗精准度。当前行业面临三大核心瓶颈：④ 高端换能器（如高频线性阵列、相控阵）依赖进口，国产化产品在带宽、灵敏度、稳定性上存在差距；⑤ 换能器与临床场景适配性不足，难以满足心血管微结构成像、乳腺微小病灶检测、术中实时导航等细分需求

现有技术受限于晶体生长工艺优化不足、器件集成工艺滞后、跨领域应用验证缺失等问题，同时缺乏材料学、声学、工程制造复合型人才支撑产业化落地。为此，团队以 “单晶生长 - 器件研发 - 场景验证” 为技术路线，整合材料合成、精密制造与行业应用资源，构建从高性能弛豫压电单晶到定制化医疗超声换能器的全流程研发体系，推动超声技术在高端医疗、精密工业等领域的升级迭代。

3.技术方案

本技术方案基于高性能稀土掺杂压电单晶，采用三维GNC精密加工与热成型工艺构筑大面积曲面复合材料，制成可穿戴头盔式球面超声阵列。阵列换能器采用压电单晶1-3复合材料，结合双层匹配层、自聚焦结构设计及集成低噪声前端放大匹配电路，接收灵敏度可提升约40–60 dB，带宽提升约100%。该球面超声阵列能够与颅骨360°贴合，使声束近乎垂直入射颅骨，从而抑制声波在颅骨与阵元之间的多次反射与散射，提高声能穿透效率。阵列采用低频设计（< 1 MHz），进一步减弱颅骨衰减影响，显著提升成像穿透深度，并减小颅骨散射导致的图像畸变。同时，通过增加阵元数量与扩大覆盖面积补偿低频带来的分辨率损失，结合稀疏重建与实时GPU并行成像，最终实现优于1 mm的空间分辨率和100 Hz帧率的颅内微循环超时空成像，为脑血管病早诊、功能导航及声刺激提供关键技术支撑。

（1）弛豫压电单晶精准生长技术：开展 PMN-PT、PIN-PMN-PT 等核心体系单晶的生长工艺优化，研发定向凝固与气氛控制一体化生长装备，突破大尺寸（≥4 英寸）单晶低缺陷生长关键技术。建立晶体组分均匀性调控方法与缺陷检测体系，优化热处理工艺提升单晶力学稳定性与压电性能，推进单晶材料的批量制备与工程化验证。

（2）超声换能器集成制造技术：细分场景超声换能器定制开发：

高频诊断换能器：针对眼科、皮肤科、乳腺微小病灶检测，研发 15-50MHz 高频线性阵列换能器，突破阵列单元微细化（≤50μm）、声阻抗匹配层精准制备技术，提升成像分辨率至 20μm 级，满足早癌筛查需求；

心血管专用换能器：开发相控阵心脏超声换能器，优化波束形成算法与探头封装结构，解决心脏运动伪影问题，实现心肌厚度、血流速度的精准测量；

术中超声换能器：研发微型化（直径≤5mm）、柔性探头，适配腹腔镜、宫腔镜等微创手术场景，实现术中实时病灶定位与切除边界确认；

超声治疗换能器：针对肿瘤消融、疼痛治疗，设计聚焦式治疗换能器，优化声能量聚焦精度（误差≤1mm），建立热效应与治疗剂量的量化控制模型，提升治疗安全性。

（3）核心器件性能升级与拓展应用：开发单晶 - 柔性基底复合结构设计技术，突破微型化、阵列化超声换能器制备瓶颈。研究换能器在超声成像、超声治疗、水下声学探测等领域的专用化优化方案，建立针对不同应用场景的性能评价体系，推动弛豫压电单晶超声换能器在高端医疗设备、精密工业检测仪器等产品中的集成应用。

二、团队概况

高性能压电材料与器件团队由国家杰出青年人才李飞教授和国家优秀青年人才李景雷特聘研究员作为学术带头人，现有教授2人，副教授4人，助理教授及医工交叉博士后2人。

团队是国内最早开展弛豫铁电单晶材料、陶瓷材料制备和性能研究的单位之一，实现了国际首例纵向压电性能高于4000pC/N的弛豫铁电单晶材料，实现了国际首例透明化高压电性能弛豫铁电单晶材料。团队主要研究方向是从事高性能压电材料与器件方面的研究工作，研制出了一系列具有高压电性能的单晶与陶瓷材料，研发了高性能压电超声器件，推动了我国在高性能压电材料与超声换能器方面的科技进步。以第一作者或通讯作者在Nature、Science等期刊发表学术论文100余篇，引用超过13000次，研究成果入选2020年度中国科学十大进展，李飞教授获得2022年陈嘉庚青年科学奖、2020年IEEE Ferroelectrics Young Investigator Award，美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy Award、霍英东教育基金会高等院校青年科学二等奖、中国物理学会电介质物理专委会“优秀青年奖”、2015年国家自然科学二等奖等学术荣誉。

超高压电性能的弛豫铁电单晶

团队超高压电性能透明铁电单晶入选2020年度中国科学十大进展

基于弛豫铁电单晶的透明超声换能器（光声成像）

三、近三年（平台成立起）攻关领域科研情况

近三年承担攻关领域横纵向项目15项，其中省部级项目8项，国家级项目5项，发表论文50余篇，获攻关领域省部级以上重大奖励2项。成果获专利17项，其中申请专利2项，授权专利17项。主办及参与学术活动8场次，邀请企业及行业专家来校授课及讲座5场次。 

        2025年7月李飞教授发表Science论文

邀请著名国际铁电专家来校举办讲座

协办2025年第21届晶体生长与外延国际会议（ICCGE-21）压电、介电、铁电晶体分会

四、团队人才培养情况

2023至2025年，共招收硕士生32人，博士生18人。其中5人获得国家级竞赛获奖，2人获得个人荣誉。开设攻关领域必修及选修课共计3门，与企业联合开展实习实训课程2门。 

获得中国研究生创新实践二等奖

                                            指导学生获得中国大学生创新大赛陕西省金奖                                                                

五、合作开展情况

1.合作企业、医院共2家。

 

六、转化成果

1.已转化成果社会经济效益

超高压电性能弛豫铁电单晶超声探头：团队在2019年开展弛豫铁电单晶产业化工作，并逐步进入医用超声探头产业供应链中，利用自身的价格和尺寸优势，逐步促进了弛豫铁电单晶在医疗超声领域的国外材料替代，实现了500万元的产值，目前仍然在逐步提升市场占有率，预期可以实现1000万元以上的产值。

团队在弛豫铁电单晶材料医用超声探头的优势

2.标准体系制定

团队围绕弛豫铁电单晶、织构陶瓷的原材料、设计和产品等方面主持/参与制定了多项行业和团体标准，包括牵头制定行业标准1项、团体标准1项。

七、创新创业

1.核心技术支撑企业发展

2.孵化企业

八、潜在可转化技术

（1）超时空分辨血管光声成像技术

传统超声探头不透光，光路必须与声路分离，导致系统体积大、近场盲区多。透明单晶换能器可让激光脉冲“穿透”探头直接照射组织，产生的光声信号又被同一晶体接收，实现“同轴”光-声耦合。基于PIN-PMN-PT的透明换能器在30MHz中心频率下带宽≈80%，信噪比提高13 dB，已对小鼠耳部微血管和癫痫过程中的脑皮层血管实现了微米级、0.8Hz帧率的动态成像。

（2）可穿戴/贴敷式监测

利用晶体的柔韧复合加工技术，可制成透明贴片式探头，直接贴附皮肤或手术创口，实现长时间连续的血氧、血流灌注及组织代谢监测，同时让医生透过贴片直观观察创面情况，提升护理效率。在肿瘤切除或血管吻合手术中，透明探头可置于手术显微镜光路下方，边超声扫描边让可见光图像无遮挡地进入外科显微镜，帮助医生实时识别血管、神经及肿瘤边界，降低误切风险。

（3）内窥镜/导管集成

将毫米级透明单晶阵列集成到内镜或介入导管前端，可同时获得高分辨率超声断层图像和激光诱导荧光/光声分子对比，实现心血管斑块成分分析或消化道早期癌的多模态诊断。

（4）微流控与细胞操控芯片

利用透明单晶的逆压电效应可在微流控芯片上生成可视化表面声波（SAW），对细胞、外泌体或药物微球进行无接触操控与分选；光学透明特性便于与荧光显微镜联用，实时观察细胞受控运动过程，为精准医疗和单细胞分析提供新工具。