Hot ring producerer mikrobølge-drevne ultralydspulser trådløst

Ultralydsbillede er en af ​​arbejdshestene på et moderne hospital. Det rammer trifecta at være relativt billig, bærbar og ikke-invasiv. At få fremtidige forældre til at blive lidt følelsesmæssige over fosterbilleder er også en værdsat fordel.

Men ultralydsbilleder har sine begrænsninger. Dens opløsning er ofte begrænset af den akustiske bølgelængde, som er ret lang, sammenlignet med optiske bølgelængder. Dette forstærkes af begrænsningerne ved akustiske transducere:de er typisk optimeret til et lille antal akustiske frekvenser, hvilket begrænser opløsningen af ​​målinger ved flyvetid. Så er der spørgsmålet om at få lydbølger ind og ud af kroppen. Det store misforhold mellem de menneskelige krops akustiske egenskaber og luft (eller en solid mikrofon) kan medføre store tab. For at overvinde dette problem, forskere og ingeniører er kommet med nogle ret kreative løsninger, som delvis nedsænkning af patienten i et bad for at forbedre den akustiske matchning. At kunne placere akustiske kilder hvor som helst på kroppen med god akustisk matchning ville undgå disse problemer. Men den nuværende teknologi tillader det ikke, fordi transducerne kræver en omfangsrig strømkilde.

Lan og kolleger, rapportering i den peer-reviewed open access journal Avanceret fotonik , har udviklet en trådløs ultralydstransducer, der effektivt ophidses af mikrobølger. Resultatet er en simpel oliefyldt plaster, der kan placeres hvor som helst på kroppen. Ingen batterier, ingen ledninger, og intet bad.

Trådsløjfe fremkalder gode vibrationer

Grundprincippet er baseret på at bruge mikrobølgeabsorbering til at generere lydbølger. Mikrobølger er et glimrende kompromis mellem fotoakustisk billeddannelse, som har høj opløsning, men lav billeddybde, og traditionel ultralyd. Mikrobølger resulterer i lavere opløsning sammenlignet med optiske systemer, men spredningen er også meget lavere, så excitationsdybde er ikke længere et problem. Men, kroppens absorption af mikrobølger er også meget lav, så de genererede lydbølger er meget svage.

Den absorberede effekt er proportional med mikrobølgernes amplitude. En mikrobølgeovn med høj amplitude fremkalder en stærkere akustisk bølge. Den uheldige bivirkning er, at du utilsigtet kan tilberede den person, du forestiller dig. For at undgå utilsigtet madlavning, mikrobølgerne skal koncentreres lige der, hvor de er nødvendige. Det er, hvad den enhed, Lan og kolleger har udviklet, gør.

Teknikken bygger på egenskaberne ved splitringresonatoren. En delt ringresonator er en trådsløjfe, der er brudt. Når de udsættes for mikrobølger, en strøm strømmer i ringen. Men, fordi ringen ikke er komplet, ladningen "hober sig op" i hullet, skaber en stor spænding mellem trådens ender. Denne store oscillerende spænding betyder, at, bare i hullet, den absorberede effekt er høj, og termoelastisk inducerede akustiske bølger produceres effektivt.

Nu, en resonator indebærer, at den er mest effektiv ved en bestemt strålingsfrekvens. Split-ring resonatorer er ingen undtagelse:resonansfrekvensen styres af trådringens diameter og mediet, hvori den er placeret. Lan og kolleger valgte en diameter på ca. 13 mm, som giver genlyd ved omkring 2,3 GHz i luft, og 2,5 GHz i olie. Men, den mere vigtige funktion er resonatorens båndbredde. Her, forskerne står over for et valg. For at øge mængden af ​​absorberet effekt, det er en fordel at have en resonator, der har en meget smal båndbredde. Imidlertid, at producere meget korte pulser af lyd, båndbredden skal være meget bred. Forskerne endte med en split ringresonator med en båndbredde på cirka 200 MHz, omkring 10 til 20 gange den for en traditionel piezoelektrisk transducer.

Konform trådløs resonator

Fleksibiliteten af ​​splitringresonatoren blev demonstreret ved en række eksperimenter, der viste, at den kunne bruges til at generere blandinger af ultralydsfrekvenser ved at pulsere mikrobølgeeksitationen. Der blev produceret akustiske frekvenser op til ca. 2,5 MHz, men, baseret på resonansbredden af ​​splitringresonatoren, højere frekvenser kan sandsynligvis produceres.

Sandsynligvis den største fordel er, at resonatoren bare er en kobberring. Ved at placere ringen i en plasthylster med lidt olie (olien absorberer mikrobølgerne og matcher kroppens akustiske egenskaber), ringen kan placeres hvor som helst på kroppen og fjernt spændes. Forskerne demonstrerer dette ved hjælp af et brystfantom. Ringen blev placeret under brystet, og detektionsudstyret ovenpå. De trådløst ophidsede ultralydssignaler var stærke, og forskerne viser, at så lidt som 10mW gennemsnitlig effekt er påkrævet for at opnå et ultralydssignal.

Nu hvor princippet er vist, det næste trin må være at bygge et billeddannelsessystem.