基于超表面的声学聚焦压电超声换能器，可用于高分辨率医学成像
2022-03-12 21:59:37   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日，由韩国机械与材料研究所（Korea Institute of Machinery and Materials）、标准与科学研究所（Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS）、汉阳大学（Hanyang University，Republic of Korea）、科技大学（University of Science and Technology，Republic of Korea）组建的一支研究团队在Scientific Reports期刊上发表了“基于超表面（metasurface）压电环形阵列的水中亚波长声学聚焦平面超声换能器”的最新研究论文，这种新型平面超声换能器有望在未来应用于高分辨率成像设备或医用超声聚焦设备。

超声换能器基于压电材料的直接和间接效应，产生机械能以响应电信号，反之，产生电信号以响应机械振动。由于其宽带宽、快速响应和高灵敏度等特点，各种基于超声换能器的设备和应用（例如超声成像、声镊、血管内治疗和外科超声工具等）已经被开发出来。随着对生物组织中微粒的显微成像和精确操作需求的不断增加，人们开始研究更高频率、小型化和具有新特性的超声换能器。

对于传统的超声聚焦装置，如图1a所示，聚焦声束的大小、形状、距离和强度仅由曲面换能器结构（即硬件技术）确定，无需声束形成算法和复杂的信号处理技术。这些曲面压电换能器（piezoelectric transducers，PT）产生的聚焦分辨率通常较低，且聚焦尺寸相对大于一个波长。虽然增加驱动频率可以提高换能器的聚焦分辨率，但是更高的频率驱动会导致更高的能量消耗，因为聚焦声束会遭受更强的衰减。此外，声像差会显著降低聚焦分辨率。因此，人们研究了各种方法来解决上述问题。

图1 一系列声学聚焦换能器技术的示意图：（a）曲面压电超声换能器。（b）基于空间盘绕超材料的声透镜。（c）基于平面环形阵列的声透镜。（d）基于压电环形阵列的平面压电超声换能器。

平面亚波长声学聚焦的初步研究成果是一种基于移动波束原理的线性阵列声学换能器实现的技术，这是一种用于电磁波的亚波长聚焦而开发的近场天线阵列理论。

此外，研究人员已经开展了基于空间盘绕超材料的声透镜（如图1b所示）的多项研究，从而开发出具有共振声异常透射（extraordinary acoustic transmission，EAT）定向超表面的声透镜；声学超表面由空间盘绕亚单元组成，产生两个对称的抛物线加速声束。平面环形菲涅耳压电换能器可减少制造过程中使用的压电材料的体积，它们采用单独的方法开发，以防止曲面PT的体积变得过大。

然而，由于菲涅耳PT总是伴随着高阶衍射，它们不能完全集中于产生的声能。因此，人们开发了产生平面波的超表面透镜，该透镜由一个带有穿孔深亚波长的与声源分离的狭缝的薄板结构组成，通过波操纵实现远场和近场声学聚焦。图1c显示了一种通过在平面超表面上反射入射波来实现聚焦声束的技术。在这里，高增益声学天线使用导纳调制的超表面形成声束，该超表面由具有正弦深度轮廓的周期性亚波长凹槽组成，并且周期性凹槽轮廓可以作为独立的二元超表面进行调制，从而控制声束角和声束宽度。

近年来，研究人员利用优化的设计方法，已经开发出具有简化架构的先进超声聚焦装置，以实现亚波长成像和主动声学聚焦。用于聚焦小于波长声波的平面超声换能器（planar ultrasonic transducer，PUT）如图1d所示。

此外，研究人员还对PUT压电环形阵列进行了优化设计，以实现对声学聚焦模式和聚焦分辨率的自由操控。由于由平面薄层构成的压电环形阵列具有超表面的特性，研究人员将其定义为超表面压电环形阵列（metasurface piezoelectric ring array，MPRA）。集成这种MPRA的平面PUT实现了亚波长超声聚焦声束。

尽管如此，关于超声换能器中复杂压电结构的微加工的报道仍然相对较少。此外，还没有实验证明制造的PUT能够克服衍射的限制，实现亚波长的声学聚焦。

在本论文的研究中，作者们开发了一种能够形成针状亚波长超声聚焦声束的超表面压电环形阵列的优化方法，并采用多物理有限元分析方法，对由匹配层、MPRA层、衬底层和外壳组成的PUT进行了详细的结构设计。通过建立最佳激光烧蚀制造工艺，他们制造了具有复杂结构的MPRA，并通过最终的封装和组装工艺制造出了完整的PUT。随后，他们利用水听器测量了该新型装置的中心频率和频带。最后，对亚波长超声聚焦声束的性能进行了测试，并与仿真结果进行了比较。

图2 基于MPRA的PUT的制造和组装：（a）加工前的压电圆盘。（b）激光烧蚀工艺。（c）具有复杂结构的MPRA层。（d）PUT封装。

图3（a）MPRA和（b）基于MPRA的PUT原型照片。

图4 PUT的X-Y平面上的轴向超声聚焦声束的表征:（a）仿真生成的归一化声压场，（b）实验中测量的归一化声压场，（c）仿真和实验的轴向超声聚焦声束的半峰全宽（FWHM）比较。

图5 PUT的X–Z平面上的横向超声聚焦声束的表征:（a）仿真生成的归一化声压场，（b）实验中测量的归一化声压场，（c）仿真和实验的横向超声聚焦声束的横向半峰全宽（FLHM）比较。

脉冲回波测试表明，中心频率为1.0 MHz的新型平面超声换能器的−6 dB带宽为37.5%。此外，超声聚焦性能测试结果表明，轴向亚波长聚焦声束的半峰全宽（full width at half-maximum，FWHM）为0.78λ，在距离为10.89λ处，横向亚波长聚焦声束的横向半峰全宽（full lateral width at half-maximum，FLHM）为7.03λ。本研究开发的新型换能器可以形成针状亚波长聚焦声束，这是基于压电环形阵列的PUT首次实现此类成就。基于这一性能，这种亚波长超声聚焦技术显示了高分辨率成像和医疗超声技术的潜力。

论文信息：

Hur, S., Choi, H., Yoon, G.H. et al. Planar ultrasonic transducer based on a metasurface piezoelectric ring array for subwavelength acoustic focusing in water. Sci Rep 12, 1485 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41598-022-05547-7

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