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用于光声成像的小型化、高灵敏度超声传感器
来源:赛斯维传感器网 发表于 2022/8/2

图 1 (a) 基于超细纤维的高灵敏度超声检测系统示意图。超细纤维超声传感器的示意图(b)和显微照片(c)。传感器的灵敏度 (d) 和响应带宽 (e)。图片来源:compuscript ltd


光声成像通过用脉冲或调制的连续激光照射生物组织来产生超声波。超声波传感器用于以分布式方式捕获超声波信号。然后,可以借助图像重建算法重建生物组织的光吸收分布。与光学成像相比,光声成像提供更高的空间分辨率、更大的穿透深度和选择性的光学吸收对比度,从而能够详细可视化生物组织中血红蛋白、脂质、黑色素和其他发色团的分布。


作为光声成像系统的关键元件,超声传感器直接决定成像性能。主流的超声波传感器基于压电效应,将机械波转换为电荷。这种传感器的灵敏度与压电元件的尺寸有关。为了获得足够的灵敏度,需要毫米级的压电元件,这限制了设备的小型化。超细纤维作为几微米或几百纳米尺寸的特种光纤,具有尺寸小、倏逝场大、对环境敏感度高等特点。那么,它可以应用于高灵敏度的超声传感吗?


在发表于opto-electronic advances的一项研究中,华中科技大学孙其珍教授的研究小组提出了一种微型化的超细纤维超声传感器。使用具有大倏逝场和环境敏感性的超细纤维证明了高灵敏度的超声检测。此外,据我们所知,头次实现了基于微纤维传感器的光声成像系统。

图 2. (a) 基于超细纤维超声传感器的光声成像系统。重建图像(公元前),。成像系统的轴向 (d) 和横向 (e) 分辨率。图片来源:compuscript ltd


鉴于较大的倏逝场,研究人员将超细纤维的直径优化为 7μm。如图1b所示,通过使用具有高弹性光学系数的聚二甲基硅氧烷(pdms)材料来封装微纤维,进一步提高了传感器的灵敏度。当超声波作用在传感器上时,由于弹性光学效应,pdms的折射率会发生相应的变化,从而导致微纤维的有效折射率发生调制。构建了一个马赫-曾德尔干涉仪来解调由入射超声波引起的询问激光的相位变化. 基于比例积分微分(pid)方法的反馈稳定器用于补偿由噪声引起的低频波动。实验结果表明,与标准单模光纤传感器相比,线性超细纤维超声传感器的灵敏度提高了一个数量级。该传感器具有 153pa 的低噪声等效压力和高达 14mhz (-10db) 的宽响应带宽。此外,该传感器可用于微弱信号的检测,通过优化超细纤维和检测系统,提高传感器的灵敏度和带宽。


该研究小组还展示了一种基于超细纤维传感器的光声成像系统。成像系统的性能通过对三根头发进行成像来评估。即使在12mm深度,系统的信噪比(snr)也可以达到31db 。在 5mm 深度处,轴向和横向分辨率分别为 65μm 和 250μm。该技术有望用于高分辨率、大成像深度和侧光声/超声成像,在人体健康检查和生物科学研究中具有重要意义和应用价值。


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