用于體內(nèi)超聲和光聲雙模顯微成像的超靈敏透明超聲換能器設(shè)計(jì)

超聲成像（USI）和光學(xué)成像（OI）傳感器因其簡單、安全及高成本效益，非常適合傳感器融合應(yīng)用。將USI與各種OI模式（如光聲成像、光學(xué)相干斷層掃描、熒光成像和白光成像等）結(jié)合使用可以提供互補(bǔ)的信息，提高疾病診斷和監(jiān)測的靈敏度及特異性，同時最大限度地減少每種模式單獨(dú)使用時的缺點(diǎn)。然而，目前仍存在兩個主要障礙：一是在同一封裝中無縫集成USI和OI模式，二是保持每種模式的最佳性能。

利用透明超聲換能器（TUT）或透明光學(xué)探測器可以克服外形尺寸挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)USI和OI的無縫集成。但現(xiàn)有研究的TUT聲學(xué)性能不如傳統(tǒng)的不透明超聲換能器（OUT）。已有報道通過透明聚焦光學(xué)傳感器展示了高質(zhì)量的多尺度光聲成像，但其光學(xué)傳感器無法生成超聲圖像。

制造聲學(xué)性能媲美OUT的實(shí)用TUT需要三個先決條件：（1）聲阻抗為7~9 MRayl（1 Rayl = 1?Pa·s·m?1?=?1?kg/(m2·s)）的透明前匹配材料，以最大限度地提高傳輸效率；（2）超過5 MRayl的透明背襯材料，以通過平衡電學(xué)和聲學(xué)Q因子來消除振鈴（ringdown）；（3）所有層之間的牢固連接，沒有導(dǎo)致超聲換能器品質(zhì)降低的間隙。

第一個先決條件，前匹配層確保了穩(wěn)定而高的水傳輸壓，尤其是在雙匹配結(jié)構(gòu)中與聲阻抗為2~3 MRayl的純聚合物一起使用時。在此，研究人員的目標(biāo)是利用由7.5 MRayl第一層和2.36 MRayl第二層組成的雙匹配層來實(shí)現(xiàn)平坦的高增益。背襯材料的聲阻抗要求平衡了聲學(xué)和電學(xué)Q因子。鑒于正面規(guī)格，聲阻抗為7.2 MRayl的背襯材料可以實(shí)現(xiàn)最佳帶寬。在具有類似設(shè)計(jì)的超聲換能器中，通常會采用5~6 MRayl的聲阻抗，這樣既不會使Q因子嚴(yán)重失衡，又能提高靈敏度。本研究也希望采用略低的聲阻抗，因此采用了共振中心聲阻抗為6.1 MRayl的雙層襯底結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)采用了一個3.8 MRayl的匹配層，以增加背面的有效聲阻抗，同時又不損失透明度。

為確保各層之間的牢固連接，相比聲波波長，粘合間隙應(yīng)最小。消除粘合間隙最有效的方法是將匹配的背襯材料用作粘合劑，并直接固化在粘合面上。因此，本研究旨在創(chuàng)造一種粘度適合粘合劑粘合的材料。100 McPs的粘度被認(rèn)為是上限，因?yàn)檎扯容^高的材料很難在表面上均勻澆注或鋪展。

本文所提出的透明超聲換能器（TUT）、傳統(tǒng)不透明超聲換能器（OUT）和傳統(tǒng)TUT的計(jì)算性能比較

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)的研究人員在Nature Communications期刊上發(fā)表了一篇題為“An ultrasensitive and broadband transparent ultrasound transducer for ultrasound and photoacoustic imaging in-vivo”的文章。為了同時滿足上述三個要求，研究人員利用實(shí)驗(yàn)和模擬設(shè)計(jì)了一種配方，以提供所需要的聲學(xué)、流變學(xué)和光學(xué)特性。本研究所提出的粘合劑SiO?/epoxy復(fù)合材料具有優(yōu)化的光學(xué)透明度、聲阻抗和流動性?；谶@些創(chuàng)新，研究人員開發(fā)出了一種寬帶（63%帶寬）超靈敏TUT，同時保持了光學(xué)透明度（>80%）。

此外，研究人員還將這種高性能TUT應(yīng)用于活體動物和人體的全集成雙模顯微超聲成像和光聲成像系統(tǒng)。通過利用所開發(fā)的TUT，該高清晰度、高對比度超聲成像和光聲成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了前所未有的性能：兩種模式的成像深度均超過15 mm，超聲成像的軸向分辨率達(dá)到了32.6 μm（相當(dāng)于深度分辨率比>500），光聲成像的軸向分辨率達(dá)到了40.4 μm（相當(dāng)于深度分辨率比>370）。這一重大進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了真正的雙模超聲成像和光聲成像，首次同時提供了高清晰度的超聲成像和光聲成像。研究人員相信，這項(xiàng)研究成果為TUT設(shè)計(jì)樹立了新標(biāo)桿，并將推動傳感器融合技術(shù)的發(fā)展。

本文所提出的透明超聲換能器（TUT）結(jié)構(gòu)及其光學(xué)透射率

采用高性能透明超聲換能器（TUT）的集成超聲（US）和光聲（PA）顯微系統(tǒng)示意圖及其成像性能

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45273-4

審核編輯：劉清