用于光声成像的小型化高灵敏超声传感器

论文第一作者：Liuyang Yang

通讯作者：Qizhen Sun

研究背景

光声成像通过使用脉冲或者被调制的连续激光照射生物组织产生超声波，使用超声传感器测量多个位置的超声信号，经图像重建算法可以重构生物组织的光吸收分布。相比于纯光学成像，光声成像提供了更大的穿透深度、更高的空间分辨率和选择性光学吸收对比度，能够对生物组织内的血红蛋白、黑色素、脂肪等其他生色团分布进行成像。

其中超声传感器作为光声成像系统的关键，直接决定着系统的成像性能。目前主流的超声传感器是基于压电效应，将机械波转换为电荷变化。这种传感器其灵敏度与压电元件的尺寸成正相关，为了实现足够的灵敏度通常需要毫米量级的压电元件，限制了器件的小型化。微纳光纤作为一种尺寸为几微米或者几百纳米的特殊光纤，具有尺寸小、倏逝场强、对外界敏感等特性，那么能否将其应用于超声传感，实现高灵敏的超声检测呢？

本文亮点

本文提出了利用微纳光纤大倏逝场，对外界环境敏感特性，通过对微纳光纤传感器优化设计，实现了高灵敏的超声检测，并首次将微纳光纤传感器应用于光声成像。

研究人员首先针对微纳光纤大倏逝场、易受外界环境变化影响的特点，通过优化微纳光纤直径，制备对超声敏感的微纳光纤，直径仅为7μm。当传感器应用于超声场测量时，具有高弹光系数的PDMS折射率会随超声发生改变，进而由于倏逝场的存在被转化为微纳光纤有效折射率改变。通过解调探测光相位的变化，可以实现对超声场分布的高灵敏感知。进一步使用相干检测技术将超声引起的探测光相位变化转换为光强度变化，并采用反馈稳定技术补偿相干系统的低频漂移。研究人员表示，基于这种方法，传感器的灵敏度相比于普通光纤提升了一个数量级，可以实现对高达40MHz的超声信号进行检测。同时作者指出传感器的灵敏度可以通过优化光纤直径进一步提高，以满足超弱信号的检测需求。

图1 微纳光纤超声检测系统。

该文章还展示了基于此传感器的光声成像系统，并对系统的空间分辨能力进行了验证，该系统能够对深处的头发丝大小物体进行检测和成像，横向分辨率可以达到250μm，纵向分辨率达到了65μm。该结果表明作者提出的高灵敏和小尺寸超声传感器能够实现对物体的高分辨率成像。基于该技术有望构建高分辨率、大成像深度的光声/超声成像设备，在人体健康检查、生物科学研究等领域具有重要的科学意义和应用价值。

图2. (a-b)传感器灵敏度和测量带宽；物体的重建图像(c-d)和空间分辨率(e-f).

该工作以“Highly sensitive and miniature microfiber-based ultrasound sensor for photoacoustic tomography”为题发表在Opto-Electronic Advances 2022年第5期，doi: 10.29026/oea.2022.200076。