Ultraljudsavbildning är en av arbetshästarna på ett modernt sjukhus. Det träffar trifecta att vara relativt billig, bärbar och icke-invasiv. Att få framtida föräldrar att bli lite känslomässiga över fosterbilder är också en uppskattad förmån.

Men ultraljudsavbildning har sina begränsningar. Dess upplösning begränsas ofta av den akustiska våglängden, vilket är ganska långt, jämfört med optiska våglängder. Detta förvärras av begränsningarna för akustiska givare:de är vanligtvis optimerade för ett litet intervall av akustiska frekvenser, vilket begränsar upplösningen av mätningar vid tidpunkten för flygningen. Sedan är det frågan om att få ljudvågor in och ut ur kroppen. Den stora ojämnheten mellan människokroppens akustiska egenskaper och luft (eller en fast mikrofon) kan leda till stora förluster. För att övervinna denna fråga, forskare och ingenjörer har kommit på några ganska kreativa lösningar, som att delvis sänka patienten i ett bad för att förbättra den akustiska matchningen. Att kunna placera akustiska källor var som helst på kroppen med bra akustisk matchning skulle undvika dessa problem. Men nuvarande teknik tillåter det inte eftersom givarna kräver en skrymmande strömkälla.

Lan och kollegor, rapportering i den granskade öppna åtkomstjournalen Avancerad fotonik , har utvecklat en trådlös ultraljudsgivare som effektivt exciteras av mikrovågor. Resultatet är en enkel oljefylld plåster som kan placeras var som helst på kroppen. Inga batterier, inga ledningar, och inget bad.

Trådslinga inducerar goda vibrationer

Grundprincipen bygger på att använda mikrovågsabsorption för att generera ljudvågor. Mikrovågor är en utmärkt kompromiss mellan fotoakustisk avbildning, som har högupplöst men lågt bilddjup, och traditionell ultraljudsavbildning. Mikrovågor ger lägre upplösning jämfört med optiska system, men spridningen är också mycket lägre, så excitationsdjup är inte längre ett problem. Men, kroppens absorption av mikrovågor är också mycket låg, så de genererade ljudvågorna är mycket svaga.

Den absorberade effekten är proportionell mot mikrovågornas amplitud. En mikrofon med hög amplitud kommer att framkalla en starkare akustisk våg. Den olyckliga bieffekten är att du oavsiktligt kan laga den person du avbildar. För att undvika oavsiktlig matlagning, Mikrovågorna bör koncentreras precis där de behövs. Detta är vad enheten som Lan och kollegor har utvecklat gör.

Tekniken förlitar sig på egenskaperna hos den delade ringresonatorn. En delad ringresonator är en trådslinga som är trasig. Vid exponering för mikrovågor, en ström flödar i ringen. Men, eftersom ringen inte är komplett, laddningen "staplar sig upp" i gapet, skapa en stor spänning mellan trådens ändar. Denna stora oscillerande spänning innebär att, bara i klyftan, den absorberade kraften är hög, och termoelastiskt inducerade akustiska vågor produceras effektivt.

Nu, en resonator innebär att den är mest effektiv vid en viss strålningsfrekvens. Split-ring-resonatorer är inget undantag:resonansfrekvensen styrs av trådringens diameter och mediet i vilket den är placerad. Lan och kollegor valde en diameter på cirka 13 mm, som ger resonans vid cirka 2,3 GHz i luft, och 2,5 GHz i olja. Men, den viktigare egenskapen är resonatorns bandbredd. Här, forskarna står inför ett val. För att öka mängden absorberad effekt, det är fördelaktigt att ha en resonator som har en mycket smal bandbredd. Dock, att producera mycket korta pulser av ljud, bandbredden måste vara mycket bred. Forskarna slutade med en delad resonator med en bandbredd på cirka 200 MHz, cirka 10 till 20 gånger den för en traditionell piezoelektrisk givare.

Konform trådlös resonator

Flexibiliteten hos den delade ringsresonatorn demonstrerades genom en serie experiment som visade att den kunde användas för att generera blandningar av ultraljudsfrekvenser genom att pulsa mikrovågsexcitationen. Akustiska frekvenser upp till cirka 2,5 MHz producerades, men, baserat på resonansbredden hos den delade ringresonatorn, högre frekvenser kan sannolikt produceras.

Förmodligen är den största fördelen att resonatorn bara är en kopparring. Genom att placera ringen i ett plasthölje med lite olja (oljan absorberar mikrovågorna och matchar kroppens akustiska egenskaper), ringen kan placeras var som helst på kroppen och exciteras på distans. Forskarna visar detta med hjälp av en bröstfantom. Ringen placerades under bröstet, och detekteringsutrustningen ovanpå. De trådlöst upphetsade ultraljudssignalerna var starka, och forskarna visar att så lite som 10mW medeleffekt krävs för att få en ultraljudssignal.

Nu när principbeviset har visats, nästa steg måste vara att bygga ett bildsystem.