乳腺癌超声标记新突破，华科大最新Science子刊！

全球每年有超过200万女性被确诊为乳腺癌，这是女性发病率最高的恶性肿瘤。在乳腺癌的诊疗过程中，活检后进行组织标记是多项国际指南推荐的标准流程，医生需要在病灶部位植入一个标记物，以便后续随访和手术时能够使用影像学手段准确定位。

然而，当前广泛使用的金属组织标记物存在三大痛点：一是超声图像下难以辨识，常常显示为一片模糊区域，识别高度依赖医生经验；二是金属材料不可降解，残留体内；三是硬质材料与软组织力学不匹配，容易移位并造成组织损伤。

2026年5月22日，华中科技大学集成电路学院臧剑锋、唐瀚川团队在《Science Advances》上发表了题为“Bandgap-enabled ultrasound tissue marking by a biodegradable metastructured hydrogel implant"的研究论文，提出了一种全水凝胶、可降解、可经18G穿刺针注射的超声组织标记物。该研究通过声学带隙设计，使标记物能够反射特定频率的超声波，借助频率-颜色映射技术，在常规B超图像上叠加彩色信号，实现直观、准确的彩色超声组织标记。研究为乳腺癌的精准诊断与治疗提供了全新的解决方案。

• 现有组织标记物的困境

在乳腺癌诊疗中，组织标记物的核心功能是标记活检部位，便于后续治疗随访中的精确定位。然而，当前主流标记物几乎都采用不锈钢、陶瓷等高模量、高密度材料。这是由B模式超声成像原理决定的：使用硬质材料能增强反射声波幅度，从而与软组织形成对比。然而，这种设计带来了不可避免的问题。由于B超的空间分辨率远低于X射线和磁共振成像，标记物的形状细节几乎无法分辨，在图像上只是一团模糊的高亮区域。加之B超缺乏频率特异性，任何高回声组织都可能造成干扰，标记物识别严重依赖医生经验。

临床上为改善辨识度，不得不将标记物尺寸设计得更大（通常约5 mm），但这进一步增加了植入创伤和移位风险。更重要的是，金属材料不可降解。部分产品采用聚合物涂层包裹，但核心金属组件在涂层降解后仍然残留，无法实现真正的全降解。一个柔性、可降解、且具有强辨识性的组织标记物，一直是该领域未能实现的目标。

• 从“形状辨识"到“频率指纹"

面对这一困境，研究团队另辟蹊径，利用声学带隙这一物理原理，设计了全新的解决方案（图1）。

所谓声学带隙，指的是特定周期性结构（即超结构）能够反射特定频率范围内的声波。该团队在柔软的水凝胶（PVA，聚乙烯醇）内部构建了按特定规律排列的空气微腔阵列，这些微腔如同一组“微型音叉"，当超声波照射时，每一组微腔都会反射出特定频率的声波。

通过精细设计微腔的直径和间距，团队实现了对不同扫描线上反射波频率的精准调控。每个标记物都拥有“频率指纹"。在成像端，研究团队开发了频谱超声成像技术：通过对感兴趣区域进行线扫描，获取时域回波信号，经过快速傅里叶变换后提取频率特征，最后将频率映射为颜色，叠加在常规B超图像上。如此一来，超结构水凝胶（简称超凝胶）标记物以特征色块的形式清晰呈现，医生可以直观定位，不再依赖经验判断。在保证辨识性的同时，团队将标记物尺寸做到了仅1.5×1×1 mm³，能够通过临床常用的18G穿刺针直接植入，大幅降低了对患者的创伤。

• 如何让一块水凝胶拥有“彩色指纹"

这项技术的核心在于柔软的聚乙烯醇水凝胶内部构筑的空气微腔阵列，当超声波的频率恰好落在某组空气微腔超结构的“带隙"范围内时，声波就会被全反射。其中空气微腔阵列模具是由摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S140，精度：10μm）制备而成。

具体来说（图2）：

·结构决定频率
每一组空气微腔的排列周期（晶格常数a）和微腔直径（d）共同决定了该结构反射的超声中心频率。通过让不同扫描线上的微腔直径梯度变化，就可以产生一系列渐变的反射频率。

·从“回波"到“颜色"

常规B超只能看到灰度明暗。而该工作开发了频谱超声成像方法：先用超声线扫描获取感兴趣区域的时域回波信号，再通过快速傅里叶变换将每个位置的信号转换为频谱。由于不同位置反射的频率不同，最终形成一条频率曲线，这条曲线就是标记物“频率指纹"。将每个位置的峰值频率映射为特定的颜色（例如低频为红、高频为蓝），再叠加到黑白B超图像上，就得到彩色超声图像。这样，医生无需依赖经验判断模糊的高亮区域，而是直接看到一块特征鲜明的色块——这就是“彩色超声组织标记"。

·角度与压缩不改变本质
论文通过仿真和实验证明，即使穿刺后标记物发生小角度旋转，或被超声探头轻微按压（压缩应变 < 15%），其整体频率梯度关系依然保持不变。这种稳健性确保了在真实临床环境下，标记物仍能被准确识别。

• 多病灶兼容与活体验证

乳腺癌常表现为多发病灶，需要植入多个标记物以便区分不同类型的病灶。研究团队展示了“可扩展的频率指纹"设计理念：通过调整微腔的晶格常数，三种标记物在超声图像上分别呈现为蓝、绿、红三种颜色，如同三色编码一般易于区分。团队还设计了更为丰富的频率序列模式，使不同标记物具备类似于指纹的独特标识（图3）。

在活体猪乳腺组织的实验中，标记物被成功植入真实乳腺组织，在超声引导下定位清晰。即使在存在大量高回声组织的背景干扰下，特征颜色依然能够从B超图像中脱颖而出，与高回声干扰形成鲜明对比。五秒内的连续监测显示，标记物的频率指纹在呼吸、心跳等生理扰动下保持相对稳定，满足临床随访的使用需求。

长期稳定性方面，大鼠皮下植入6周的跟踪显示，标记物的频率指纹保持稳定，且降解速率可根据不同应用场景进行调节。与此同时，标记物在MRI和CT扫描中不产生任何伪影，而金属标记物则会在MRI中造成严重的图像扭曲，在CT中也产生显著的伪影干扰（图4）。

展望未来，该技术平台有望进一步拓展至更广泛的应用场景。首先，由于频谱超声成像能够解析标记物的微小频率变化，该技术可被用于精确追踪病灶区域的细微形态学演变，在病理学改变发生前提供预警。其次，该技术有望超越组织标记这一范畴，通过分析与微环境相互作用下的“动态指纹"，实现更多生理参数的可视化监测——例如局部pH变化、酶活性异常或炎症因子水平，为无创的早期病理识别和个性化健康管理提供全新的技术路径。

该研究的第一作者为华中科技大学博士生潘章琪，臧剑锋教授与唐瀚川副教授为共同通讯作者。研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个项目的支持。