近日，来自复旦大学的智慧医疗超声团队在国际权威期刊《Small》上发表了一项重要研究成果：他们首次将声学“超表面”（metasurface）技术应用于心力衰竭的非侵入性治疗，成功实现了对左心室的亚波长级精准聚焦，并显著改善心脏收缩功能、提升射血分数。这项技术不仅有效穿透复杂生物结构如肋骨，还展现出卓越的治疗效果与生物安全性，为心衰患者带来新的希望。

该研究成果以“High-Precision Transthoracic Ultrasound Therapy for Heart Failure with Nondiffractive Airy Beams Generated by Metasurfaces”为题，论文第一作者为博士生于书萌，通讯作者为江雪副教授和他得安教授。

心衰治疗面临挑战，超声治疗潜力待释放

心力衰竭是一种严重危害生命健康的心血管疾病，常因左心室功能障碍导致全身供血不足。尽管近年来低强度脉冲超声在促进心肌修复方面显示出一定前景，但传统平面超声波在穿越肋骨等复杂结构时易发生波形畸变，难以实现安全有效的靶向治疗，限制了其临床应用。

图1. 艾里超声束（Airy-US）与传统平面波超声（Plane-US）在心衰治疗中的疗效与安全性对比。a）声波经肋骨传播示意图：传统Plane-US 在穿越肋骨时出现明显衰射与能量损失，而由超表面生成的Airy-US可有效保持聚焦强度并精准定位左心室。b–d）两种超声治疗方式均能改善心脏收缩功能并减轻心肌纤维化，但Airy-US在靶向控制精度和生物安全性方面展现出显著优势。

超表面技术首次应用于心脏治疗，精准聚焦突破瓶颈

此次研究中，研究团队创新性地利用声学超表面生成具备非衍射特性的艾里波束（Airy beam），成功解决了传统超声波穿透肋骨后聚焦能力下降的问题。通过精确调控相位，他们在6.5 mm深度下实现了2 MHz超声波的亚波长聚焦，横向聚焦半高宽（FWHM）低至0.6个波长，远优于现有技术。

实验表明，即便经过肋骨结构传播，由超表面生成的艾里超声束（Airy-US）仍能保持良好的聚焦性能和强度，精准作用于左心室，显著了提升治疗效率。

图2. 基于超表面的Airy-US亚波长聚焦与非衍射特性验证。a）实验装置示意图：采用2 MHz换能器结合超表面结构生成艾里超声束，并通过水槽系统扫描声场分布。b）二进制相位型超表面设计图，用于实现6.5 mm焦距下的高精度聚焦。c）仿真与实验结果表明，Airy-US在穿透肋骨后仍能重建波前并维持焦点清晰度。d）焦点声强分布分析显示其具备优异的亚波长横向聚焦能力，半高宽（FWHM）低至0.6个波长。

动物实验验证疗效：Airy-US全面优于传统方案

在小鼠心衰模型中，连续三周的Airy-US干预取得了令人振奋的效果：其显著改善心脏收缩功能，提升射血分数（EF）与缩短分数（FS）；M型超声进一步证实其对左心室前壁运动能力的增强；有效降低心肌损伤标志物LDH与CK水平，提示心肌结构得到保护；更重要的是，在心电图监测中，Airy-US表现出更低的心律失常风险，显示出更高的生物安全性。相比之下，传统平面波超声（Plane-US）虽也能带来一定程度的改善，但在聚焦控制与安全性方面明显逊色于Airy-US。

图3. 超声心动图与血清酶学指标验证Airy-US治疗效果。a, b）Airy-US与Plane-US治疗均可显著提升心衰小鼠的射血分数（EF）与缩短分数（FS），其中Airy-US在治疗一致性与可控性方面更具优势。c）M型超声图像显示，Airy-US对左心室壁运动幅度的改善更为明显。d, e）两组治疗均有效降低心肌损伤标志物乳酸脱氢酶（LDH）与肌酸激酶（CK）水平，提示心肌细胞损伤减轻，Airy-US在保护心肌完整性方面表现更优。

技术优势明确，未来可期

研究首次将基于超表面的艾里超声技术引入心脏治疗领域，标志着非侵入性超声治疗迈入一个全新阶段。所提出的Airy-US技术不仅具备亚波长级靶向聚焦能力，还拥有非衍射传播特性，能够在复杂体内环境中维持稳定焦点，为心衰治疗提供了更高效、更安全的新路径。展望未来，该技术有望与柔性可穿戴设备结合，推动个性化、长期管理的心衰治疗策略落地，真正实现从实验室到临床的转化。

本研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金优秀青年基金项目、创新研究群体项目、重点项目、面上项目，上海市教委“曙光计划”的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202502666