Fotoakustisk avbildning genererar ultraljudsvågor genom att bestråla biologiska vävnader med pulser eller modulerade kontinuerliga lasrar. Ultraljudssensorer används för att fånga ultraljudssignaler på ett distribuerat sätt. Sedan kan ljusabsorptionsfördelningen av biologiska vävnader rekonstrueras med hjälp av bildrekonstruktionsalgoritmer. Jämfört med optisk avbildning ger fotoakustisk bildbehandling högre rumslig upplösning, större penetrationsdjup och selektiv optisk absorptionskontrast, vilket möjliggör detaljerad visualisering av fördelningen av hemoglobin, lipid, melanin och andra kromoforer i biologiska vävnader.

Som nyckelelementet i ett fotoakustiskt bildsystem bestämmer ultraljudssensorer direkt avbildningsprestandan. De vanliga ultraljudssensorerna är baserade på den piezoelektriska effekten, som omvandlar mekaniska vågor till elektriska laddningar. Känsligheten hos sådana sensorer är relaterad till storleken på piezoelektriska element. För att uppnå tillräcklig känslighet krävs piezoelektriska element i millimeterskala, vilket begränsar enhetens miniatyrisering. Som en speciell optisk fiber med en storlek på flera mikroner eller hundratals nanometer har mikrofiber egenskaperna för liten storlek, stort flyktigt fält och hög känslighet för miljön. Så, kan det appliceras på ultraljudsavkänning med hög känslighet?

I en studie publicerad i Opto-Electronic Advances , forskargruppen av Prof. Qizhen Sun från Huazhong University of Science and Technology föreslog en miniatyriserad ultraljudssensor av mikrofiber. Mycket känslig ultraljudsdetektering demonstrerades med hjälp av mikrofiber med stort flyktigt fält och miljökänslighet. Vidare realiserades det fotoakustiska bildsystemet baserat på mikrofibersensorn först, så vitt vi vet.

Forskare optimerade dimetern för mikrofiber till 7 μm med tanke på det större evanescenta fältet. Såsom visas i Fig. 1b förbättras sensorns känslighet ytterligare genom att använda polydimetylsiloxan (PDMS)-materialet med hög elastisk-optisk koefficient för att kapsla in mikrofibern. När ultraljudsvågen appliceras på sensorn kommer brytningsindexet för PDMS att ändras på motsvarande sätt på grund av den elastisk-optiska effekten, vilket resulterar i modulering av mikrofiberns effektiva brytningsindex. En Mach-Zehnder-interferometer är konstruerad för att demodulera fasförändringarna hos frågelasern som induceras av de infallande ultraljudsvågorna. En återkopplingsstabilisator baserad på Proportion Integration Differentiation (PID)-metoden används för att kompensera lågfrekventa fluktuationer som orsakas av brus. De experimentella resultaten visar att känsligheten hos linjär mikrofiber ultraljudssensor förbättras med en storleksordning jämfört med standard singelmods fibersensor. Sensorn uppvisar ett lågt brusekvivalenttryck på 153Pa och en bred svarsbandbredd på upp till 14MHz (-10dB). Dessutom kan sensorn användas för att detektera svagare signaler, genom att optimera mikrofibern och detektionssystemet för att förbättra sensorns känslighet och bandbredd.

Forskargruppen demonstrerade också ett fotoakustiskt bildsystem baserat på mikrofibersensorn. Avbildningssystemets prestanda utvärderas genom att avbilda tre människohår. Systemets signal-brusförhållande (SNR) kan nå 31dB även på 12 mm djup. De axiella och laterala upplösningarna är 65 μm respektive 250 μm vid 5 mm djup. Denna teknologi förväntas för hög upplösning, stort bilddjup och sidofotoakustisk/ultraljudsavbildning, vilket har en viktig betydelse och tillämpningsvärde i människors hälsoundersökning och biologisk vetenskaplig forskning. + Utforska vidare

Vatten- och ljusflöde inspirerar till ultrakänslig optisk mikrofiberkopplingssensor