基于微纳光纤的高灵敏度超声传感器用于光声层析成像系统
2022-07-05 22:18:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光声成像通过脉冲或调制连续激光照射生物组织来产生超声波，利用超声传感器以分布方式捕获超声信号，然后借助图像重建算法可以重建生物组织的光吸收分布。

与光学成像相比，光声成像提供了更高的空间分辨率、更大的穿透深度和选择性光学吸收对比度，从而能够精细可视化血红蛋白、脂质、黑色素和其他生色团在生物组织中的分布。

超声传感器作为光声成像系统的关键元件，直接决定着成像性能。主流的超声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，这限制了器件的小型化。

微纳光纤作为一种尺寸为数微米或数百纳米的特殊光纤，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？

据麦姆斯咨询报道，华中科技大学孙琪真教授的研究小组近日在Opto-Electronic Advances上发表了一项研究，提出了一种微型化的微纳光纤超声传感器。利用具有大倏逝场和环境灵敏度的微纳光纤进行高灵敏度超声检测，首次实现了基于微纳光纤传感器的光声成像系统。

（a）基于微纳光纤的高灵敏度超声检测系统示意图；（b）微纳光纤超声传感器示意图和（c）显微照片；（d）传感器的灵敏度和（e）响应带宽。

光声层析成像系统示意图

考虑到较大的倏逝场，研究人员将微纳光纤的直径优化为7μm。通过采用具有高弹性光学系数的聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料来封装微纳光纤，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的折射率将发生相应的变化，进而对微纳光纤的有效折射率进行调制。

研究人员构建了一个Mach-Zehnder干涉仪用于解调入射超声波引起的询问激光相位变化。利用基于比例积分微分（PID）方法的反馈稳定器，补偿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，线性微纳光纤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，通过优化微纳光纤和检测系统以提高传感器的灵敏度和带宽，该传感器可用于检测较弱的信号。

研究人员利用所开发的光声层析成像系统对三根头发成像

该研究小组还展示了基于微纳光纤传感器的光声成像系统。通过对三根头发进行成像评估了成像系统的性能。即使在12mm深度，该系统的信噪比也可以达到31dB。在5mm深度处，轴向和横向分辨率分别为65μm和250μm。该技术有望实现高分辨率、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领域具有重要意义和应用价值。

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《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》