【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮院士、邱維寶研究員、劉成波研究員團(tuán)隊(duì)，與西安交通大學(xué)李飛教授團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一款新型超靈敏、寬帶透明超聲換能器，突破了透明超聲換能器性能瓶頸，實(shí)現(xiàn)了高分辨、大視場(chǎng)、快速光聲顯微成像，為基于透明換能器的光聲成像、聲光多模態(tài)成像的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用鋪平了道路。研究成果以“Transparent ultrasonic transducers based on relaxor ferroelectric crystals for advanced photoacoustic imaging”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。論文第一作者分別是西安交通大學(xué)和深圳先進(jìn)院聯(lián)培博士生邱超銳、深圳先進(jìn)院張志強(qiáng)副研究員和徐智強(qiáng)副研究員。
 

　　透明超聲換能器可以高密度集成聲學(xué)模塊和光學(xué)模塊，是光聲成像以及聲光多模態(tài)成像走向應(yīng)用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)超聲換能器是非透明的，存在光路和聲路的空間耦合難題，導(dǎo)致成像系統(tǒng)復(fù)雜以及近場(chǎng)盲區(qū)等問題。已報(bào)道的透明超聲換能器性能難以跟傳統(tǒng)超聲換能器相媲美，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，限制了透明超聲換能器的實(shí)際應(yīng)用。本工作基于新型透明壓電單晶，設(shè)計(jì)優(yōu)化了透明換能器新型結(jié)構(gòu)和制備工藝，突破了透明換能器性能瓶頸，性能可以與傳統(tǒng)非透明換能器相媲美，甚至超過了一般傳統(tǒng)非透明換能器性能；基于研制的高靈敏度寬帶透明換能器，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)高分辨率的活體小鼠耳朵微血管光聲顯微成像和腦血流動(dòng)態(tài)成像。
 

　　(a)PIN-PMN-PT透明壓電單晶實(shí)物照片及性能對(duì)比，(b)新型透明超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物照片、及性能對(duì)比，(c)活體小鼠耳朵毛細(xì)血管高分辨率光聲成像，(d)癲癇模型小鼠腦血流動(dòng)態(tài)光聲成像。

 

　　透明壓電超聲換能器簡(jiǎn)介
 

　　壓電超聲換能器以其靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)中應(yīng)用廣泛。透明壓電超聲換能器是一種基于透明壓電材料研制的新型換能器，通過壓電層、匹配層、背襯層和電極的透明化設(shè)計(jì)，可以使換能器在滿足超聲波的接收和發(fā)射等基本功能的同時(shí)，還能夠允許光路的徑直通過，從而有利于各種光學(xué)系統(tǒng)的介入和光學(xué)操作的實(shí)施，是光聲成像、聲光多模態(tài)成像技術(shù)的理想選擇。
 

　　新型透明壓電單晶
 

　　傳統(tǒng)超聲換能器大都基于鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)壓電單晶材料制備，是不透明的。當(dāng)前制備透明超聲換能器的常用透明壓電材料是鈮酸鋰(LiNbO3)單晶。但是鈮酸鋰單晶壓電性能不高，制備的透明換能器靈敏度和帶寬都不佳，限制了鈮酸鋰透明換能器的實(shí)際應(yīng)用。西交李飛教授團(tuán)隊(duì)通過新型的交流極化工藝開發(fā)了高透光率(~70%)的PIN-PMN-PT透明壓電單晶，且具有優(yōu)異的壓電性能和溫度穩(wěn)定性(相變溫度~120℃)。
 

　　高性能透明超聲換能器
 

　　基于開發(fā)的高性能PIN-PMN-PT透明壓電單晶，設(shè)計(jì)了石英玻璃和環(huán)氧樹脂雙層聲匹配層方案，通過優(yōu)化雙層聲匹配層制備工藝，大幅度提高了透明換能器聲波傳輸效率，同時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化了新型電極引線結(jié)構(gòu)和ITO透明電極的性能，從而實(shí)現(xiàn)了透明超聲換能器超高靈敏度(雙路插入損壞-17.6dB)和帶寬(~80%)，實(shí)現(xiàn)了透明換能器性能突破。研制的透明換能器靈敏度和帶寬分別是目前已報(bào)道的性能最佳透明換能器的3.5倍和1.3倍，可以與傳統(tǒng)非透明換能器性能相媲美，甚至超過了一般的傳統(tǒng)非透明換能器性能。
 

　　活體小鼠高分辨率、大視場(chǎng)、快速光聲顯微成像
 

　　基于研制的透明超聲換能器開發(fā)了光學(xué)分辨率光聲顯微成像系統(tǒng)(OR-PAM)，首次實(shí)現(xiàn)了基于透明換能器的腦疾病模型連續(xù)動(dòng)態(tài)成像應(yīng)用。傳統(tǒng)的非透明換能器和已報(bào)到的部分透明換能器因?yàn)殪`敏度低，需要對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行多次平均，嚴(yán)重影響成像速度(單次成像時(shí)間幾分鐘或以上)；或者需要采用聲透鏡等聲場(chǎng)聚焦器件來(lái)提高探測(cè)靈敏度，導(dǎo)致成像系統(tǒng)的探測(cè)視場(chǎng)非常小(幾十微米)。本工作研制的高性能透明換能器突破了上述限制，使得成像系統(tǒng)可以通過二維振鏡光學(xué)掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)活體組織大視場(chǎng)(毫米級(jí)別)、快速(幀率0.8Hz)高分辨(微米級(jí)別，可分辨單根毛細(xì)血管)成像。
 

　　未來(lái)方向
 

　　未來(lái)研究可以在透明換能器、成像技術(shù)和成像應(yīng)用三個(gè)層面繼續(xù)推進(jìn)。首先，在透明換能器方面，由于高的介電常數(shù)，PIN-PMN-PT透明壓電單晶在制備陣列超聲換能器上更有優(yōu)勢(shì)，研制透明陣列換能器一方面可以將成像視場(chǎng)擴(kuò)展到厘米級(jí)別，另一方面有利于實(shí)現(xiàn)超聲、光聲、光學(xué)等多模態(tài)融合成像。其次，在成像技術(shù)方面，可以采用高重頻激光器并結(jié)合高速掃描方案繼續(xù)提升基于透明換能器的OR-PAM的成像速度，實(shí)現(xiàn)視頻幀率成像。第三，在成像應(yīng)用方面，可以將透明換能器本身作為顱窗材料，從而消除常用的光聲腦成像顱窗材料(如PDMS或PVC薄膜)對(duì)信號(hào)的衰減，并且方便腦成像操作以及實(shí)現(xiàn)熒光等多模態(tài)腦成像；另外，可以充分利用透明換能器體積小、重量輕的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)頭戴、貼片等可穿戴成像應(yīng)用。