Miniaturiseret, meget følsom ultralydssensor til fotoakustisk billeddannelse

Fotoakustisk billeddannelse genererer ultralydsbølger ved at bestråle biologisk væv med pulser eller modulerede kontinuerlige lasere. Ultralydssensorer bruges til at opfange ultralydssignaler på en distribueret måde. Derefter kan lysabsorptionsfordelingen af ​​biologiske væv rekonstrueres ved hjælp af billedrekonstruktionsalgoritmer. Sammenlignet med optisk billeddannelse giver fotoakustisk billeddannelse højere rumlig opløsning, større penetrationsdybde og selektiv optisk absorptionskontrast, hvilket muliggør detaljeret visualisering af fordelingen af ​​hæmoglobin, lipid, melanin og andre kromoforer i biologiske væv.

Som nøgleelementet i et fotoakustisk billeddannelsessystem bestemmer ultralydssensorer direkte billeddannelsens ydeevne. De almindelige ultralydssensorer er baseret på den piezoelektriske effekt, som omdanner mekanisk bølge til elektriske ladninger. Følsomheden af ​​sådanne sensorer er relateret til størrelsen af ​​piezoelektriske elementer. For at opnå tilstrækkelig følsomhed kræves piezoelektriske elementer i millimeterskala, hvilket begrænser enhedens miniaturisering. Som en speciel optisk fiber med en størrelse på flere mikrometer eller hundredvis af nanometer har mikrofiber egenskaberne lille størrelse, stort forsvindende felt og høj følsomhed over for miljøet. Så kan det anvendes til ultralydssensorer med høj følsomhed?

I en undersøgelse offentliggjort i Opto-Electronic Advances , foreslog forskergruppen af ​​prof. Qizhen Sun fra Huazhong University of Science and Technology en miniaturiseret mikrofiber ultralydssensor. Meget følsom ultralydsdetektion blev demonstreret ved hjælp af mikrofiber med stort flygtigt felt og miljøfølsomhed. Derudover blev det fotoakustiske billeddannelsessystem baseret på mikrofibersensoren først realiseret, så vidt vi ved.

Forskere optimerede størrelsen af ​​mikrofiber til 7μm i lyset af det større evanescerende felt. Som vist i fig. 1b er sensorens følsomhed yderligere forbedret ved at bruge polydimethylsiloxan (PDMS)-materialet med høj elastisk-optisk koefficient til at indkapsle mikrofiberen. Når ultralydsbølgen påføres sensoren, vil brydningsindekset for PDMS ændres tilsvarende på grund af den elastisk-optiske effekt, hvilket resulterer i moduleringen af ​​mikrofiberens effektive brydningsindeks. Et Mach-Zehnder-interferometer er konstrueret til at demodulere faseændringerne af interrogationslaseren induceret af de indfaldende ultralydsbølger. En feedback-stabilisator baseret på Proportion Integration Differentiation (PID) metode bruges til at kompensere for lavfrekvente udsving forårsaget af støj. De eksperimentelle resultater viser, at følsomheden af ​​lineær mikrofiber ultralydssensor er forbedret med en størrelsesorden sammenlignet med standard single mode fiber sensor. Sensoren udviser et lavt støjækvivalent tryk på 153 Pa og en bred responsbåndbredde på op til 14MHz (-10dB). Derudover kan sensoren bruges til detektering af svagere signaler, ved at optimere mikrofiberen og detektionssystemet for at forbedre sensorens følsomhed og båndbredde.

Forskergruppen demonstrerede også et fotoakustisk billeddannelsessystem baseret på mikrofibersensoren. Ydeevnen af ​​billeddannelsessystemet evalueres ved at afbilde tre menneskehår. Systemets signal-til-støj-forhold (SNR) kan nå op på 31dB selv ved en dybde på 12 mm. De aksiale og laterale opløsninger er henholdsvis 65μm og 250μm ved 5 mm dybde. Denne teknologi forventes til høj opløsning, stor billeddybde og sidefotoakustisk/ultralydsbilleddannelse, som har vigtig betydning og anvendelsesværdi i sundhedsundersøgelser og biologisk videnskabelig forskning. + Udforsk yderligere

Vand- og lys-'flow' inspirerer til ultrafølsom optisk mikrofiberkoblingssensor