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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 2022/7/12
圖 1 (a) 基于超細(xì)纖維的高靈敏度超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。超細(xì)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(hào)。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(xué)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(xué)吸收對(duì)比度，從而能夠詳細(xì)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(tuán)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(jī)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(jí)的壓電元件，這限制了設(shè)備的小型化。超細(xì)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(chǎng)大、對(duì)環(huán)境敏感度高等特點(diǎn)。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(xiàng)研究中，華中科技大學(xué)孫其珍教授的研究小組提出了一種微型化的超細(xì)纖維超聲傳感器。使用具有大倏逝場(chǎng)和環(huán)境敏感性的超細(xì)纖維證明了高靈敏度的超聲檢測(cè)。此外，據(jù)我們所知，實(shí)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(xì)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(chǎng)，研究人員將超細(xì)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(xué)系數(shù)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料來封裝微纖維，進(jìn)一步提高了傳感器的靈敏度。當(dāng)超聲波作用在傳感器上時(shí)，由于彈性光學(xué)效應(yīng)，PDMS的折射率會(huì)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(gè)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(bǔ)償由噪聲引起的低頻波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳感器相比，線性超細(xì)纖維超聲傳感器的靈敏度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。該傳感器具有 153Pa 的低噪聲等效壓力和高達(dá) 14MHz (-10dB) 的寬響應(yīng)帶寬。此外，該傳感器可用于微弱信號(hào)的檢測(cè)，通過優(yōu)化超細(xì)纖維和檢測(cè)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(xì)纖維傳感器的光聲成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)的性能通過對(duì)三根頭發(fā)進(jìn)行成像來評(píng)估。即使在12mm深度，系統(tǒng)的信噪比（SNR）也可以達(dá)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(xué)研究中具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。
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