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- 用于光聲成像的小型化、高靈敏度超聲傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2022/8/2
圖 1 (a) 基于超細纖維的高靈敏度超聲檢測系統(tǒng)示意圖。超細纖維超聲傳感器的示意圖（b）和顯微照片（c）。傳感器的靈敏度 (d) 和響應(yīng)帶寬 (e)。圖片來源：Compuscript Ltd
光聲成像通過用脈沖或調(diào)制的連續(xù)激光照射生物組織來產(chǎn)生超聲波。超聲波傳感器用于以分布式方式捕獲超聲波信號。然后，可以借助圖像重建算法重建生物組織的光吸收分布。與光學成像相比，光聲成像提供更高的空間分辨率、更大的穿透深度和選擇性的光學吸收對比度，從而能夠詳細可視化生物組織中血紅蛋白、脂質(zhì)、黑色素和其他發(fā)色團的分布。
作為光聲成像系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，超聲傳感器直接決定成像性能。主流的超聲波傳感器基于壓電效應(yīng)，將機械波轉(zhuǎn)換為電荷。這種傳感器的靈敏度與壓電元件的尺寸有關(guān)。為了獲得足夠的靈敏度，需要毫米級的壓電元件，這限制了設(shè)備的小型化。超細纖維作為幾微米或幾百納米尺寸的特種光纖，具有尺寸小、倏逝場大、對環(huán)境敏感度高等特點。那么，它可以應(yīng)用于高靈敏度的超聲傳感嗎？
在發(fā)表于Opto-Electronic Advances的一項研究中，華中科技大學孫其珍教授的研究小組提出了一種微型化的超細纖維超聲傳感器。使用具有大倏逝場和環(huán)境敏感性的超細纖維證明了高靈敏度的超聲檢測。此外，據(jù)我們所知，頭次實現(xiàn)了基于微纖維傳感器的光聲成像系統(tǒng)。
圖 2. (a) 基于超細纖維超聲傳感器的光聲成像系統(tǒng)。重建圖像（公元前），。成像系統(tǒng)的軸向 (d) 和橫向 (e) 分辨率。圖片來源：Compuscript Ltd
鑒于較大的倏逝場，研究人員將超細纖維的直徑優(yōu)化為 7μm。如圖1b所示，通過使用具有高彈性光學系數(shù)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料來封裝微纖維，進一步提高了傳感器的靈敏度。當超聲波作用在傳感器上時，由于彈性光學效應(yīng)，PDMS的折射率會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致微纖維的有效折射率發(fā)生調(diào)制。構(gòu)建了一個馬赫-曾德爾干涉儀來解調(diào)由入射超聲波引起的詢問激光的相位變化. 基于比例積分微分（PID）方法的反饋穩(wěn)定器用于補償由噪聲引起的低頻波動。實驗結(jié)果表明，與標準單模光纖傳感器相比，線性超細纖維超聲傳感器的靈敏度提高了一個數(shù)量級。該傳感器具有 153Pa 的低噪聲等效壓力和高達 14MHz (-10dB) 的寬響應(yīng)帶寬。此外，該傳感器可用于微弱信號的檢測，通過優(yōu)化超細纖維和檢測系統(tǒng)，提高傳感器的靈敏度和帶寬。
該研究小組還展示了一種基于超細纖維傳感器的光聲成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)的性能通過對三根頭發(fā)進行成像來評估。即使在12mm深度，系統(tǒng)的信噪比（SNR）也可以達到31dB 。在 5mm 深度處，軸向和橫向分辨率分別為 65μm 和 250μm。該技術(shù)有望用于高分辨率、大成像深度和側(cè)光聲/超聲成像，在人體健康檢查和生物科學研究中具有重要意義和應(yīng)用價值。
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