Die photoakustische Bildgebung erzeugt Ultraschallwellen, indem biologisches Gewebe mit Pulsen oder modulierten Dauerlasern bestrahlt wird. Ultraschallsensoren dienen der verteilten Erfassung von Ultraschallsignalen. Anschließend kann die Lichtabsorptionsverteilung biologischer Gewebe mit Hilfe von Bildrekonstruktionsalgorithmen rekonstruiert werden. Im Vergleich zur optischen Bildgebung bietet die photoakustische Bildgebung eine höhere räumliche Auflösung, eine größere Eindringtiefe und einen selektiven optischen Absorptionskontrast, wodurch eine detaillierte Visualisierung der Verteilung von Hämoglobin, Lipid, Melanin und anderen Chromophoren in biologischen Geweben ermöglicht wird.
Als Schlüsselelement eines photoakustischen Bildgebungssystems entscheiden Ultraschallsensoren direkt über die Bildgebungsleistung. Die Mainstream-Ultraschallsensoren basieren auf dem piezoelektrischen Effekt, der mechanische Wellen in elektrische Ladungen umwandelt. Die Empfindlichkeit solcher Sensoren hängt von der Größe der piezoelektrischen Elemente ab. Um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erreichen, sind piezoelektrische Elemente im Millimetermaßstab erforderlich, was die Miniaturisierung der Vorrichtung begrenzt. Als spezielle optische Faser mit einer Größe von mehreren Mikrometern oder Hunderten von Nanometern hat Mikrofaser die Eigenschaften kleiner Größe, großem evaneszentem Feld und hoher Umweltempfindlichkeit. Kann es also auf die Ultraschallsensorik mit hoher Empfindlichkeit angewendet werden?
In einer Studie veröffentlicht in Optoelektronische Fortschritte, schlug die Forschungsgruppe von Prof. Qizhen Sun von der Huazhong University of Science and Technology einen miniaturisierten Mikrofaser-Ultraschallsensor vor. Unter Verwendung von Mikrofaser mit großem evaneszentem Feld und Umgebungsempfindlichkeit wurde eine hochempfindliche Ultraschallerkennung demonstriert. Des Weiteren wurde das photoakustische Bildgebungssystem basierend auf dem Mikrofasersensor nach unserem besten Wissen erstmals realisiert.
Die Forscher optimierten den Durchmesser der Mikrofaser im Hinblick auf das größere evaneszente Feld auf 7 μm. Wie in Abb. 1b gezeigt, wird die Empfindlichkeit des Sensors durch die Verwendung des Polydimethylsiloxan (PDMS)-Materials mit hohem elastisch-optischen Koeffizienten zur Einkapselung der Mikrofaser weiter verbessert. Wenn die Ultraschallwelle auf den Sensor einwirkt, ändert sich der Brechungsindex von PDMS aufgrund des elastisch-optischen Effekts entsprechend, was zu einer Modulation des effektiven Brechungsindex der Mikrofaser führt. Ein Mach-Zehnder-Interferometer ist konstruiert, um die durch die einfallenden Ultraschallwellen induzierten Phasenänderungen des Abfragelasers zu demodulieren. Ein Rückkopplungsstabilisator basierend auf der Proportion Integration Differentiation (PID)-Methode wird verwendet, um die durch Rauschen verursachte Niederfrequenzschwankung zu kompensieren. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit des linearen Mikrofaser-Ultraschallsensors im Vergleich zu einem Standard-Singlemode-Fasersensor um eine Größenordnung verbessert ist. Der Sensor weist einen rauscharmen Äquivalentdruck von 153 Pa und eine breite Ansprechbandbreite bis zu 14 MHz (-10 dB) auf. Darüber hinaus kann der Sensor zur Erkennung schwächerer Signale verwendet werden, indem die Mikrofaser und das Erkennungssystem optimiert werden, um die Empfindlichkeit und Bandbreite des Sensors zu verbessern.
Die Forschungsgruppe demonstrierte auch ein photoakustisches Bildgebungssystem auf Basis des Mikrofasersensors. Die Leistung des Abbildungssystems wird durch Abbildung von drei menschlichen Haaren bewertet. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Systems konnte selbst in einer Tiefe von 12 mm 31 dB erreichen. Die axiale und laterale Auflösung beträgt 65 μm bzw. 250 μm bei 5 mm Tiefe. Diese Technologie wird für hohe Auflösung, große Bildtiefe und seitliche photoakustische/Ultraschall-Bildgebung erwartet, die eine wichtige Bedeutung und einen wichtigen Anwendungswert bei der Untersuchung der menschlichen Gesundheit und der biologischen Wissenschaftsforschung hat.
Liuyang Yang et al, Hochempfindlicher und mikrofaserbasierter Miniatur-Ultraschallsensor für die photoakustische Tomographie, Optoelektronische Fortschritte (2022). DOI: 10.29026/oea.2022.200076
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