文章 | Yang LY, Li YP, Fang F, Li LY, Yan ZJ et al. Highly sensitive and miniature microfiber-based ultrasound sensor for photoacoustic tomography. Opto-Electron Adv 5, 200076 (2022).
第一作者：杨留洋；通信作者：孙琪真
1 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。
超声传感器作为光声成像系统的关键器件，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。这种传感器的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，这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？
2 论文亮点
华中科技大学光学与电子信息学院孙琪真教授团队提出了利用微纳光纤大倏逝场对外界环境敏感的特性，通过对微纳光纤传感器进行优化设计，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。
研究人员首先优化微纳光纤直径至7 μm，并采用高弹光系数的聚二甲基硅氧烷进行封装，提高其对超声波探测的灵敏度，如图1(b)所示。当传感器受到超声场作用时，聚二甲基硅氧烷的折射率因为弹光效应会随之发生改变，导致微纳光纤倏逝光场有效折射率的改变。如图1(a)所示，通过构建Mach-Zehnder干涉仪解调光相位的变化，并采用反馈稳定技术补偿相干系统的低频漂移，实现对超声场的高灵敏感知。实验结果表明，微纳光纤线型超声传感器的灵敏度相比于普通光纤提升了一个数量级，-10 dB的响应带宽达到14 MHz，噪声等效声压达到153 Pa。同时，研究人员指出传感器的灵敏度和噪声等效声压可以通过优化光纤和检测系统进一步提高，以满足超弱信号的检测需求。
图1（a）基于微纳光纤的高灵敏超声检测系统；微纳光纤传感器测量示意图（b）和显微照片（c）；微纳光纤超声传感器的灵敏度（d）和测量带宽（e）
该研究团队进一步展示了基于此传感器的光声成像系统，并通过多根头发丝对系统的成像分辨能力进行了评估。该系统在12 mm处的信噪比仍能达到31 dB，5 mm深处纵向分辨率可达到65 μm，横向分辨率约为250 μm。基于微纳光纤的高灵敏、小尺寸、线型敏感等优势，该技术有望构建高分辨率、大成像深度、侧向扫描的光声/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）基于微纳光纤的光声成像系统；物体的重建图像（b-c）和空间分辨率（d-e）
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6期。
研究团队简介
华中科技大学光学与电子信息学院孙琪真教授团队主要从事微纳结构光纤器件、传感技术及其应用研究。孙琪真教授曾获得国家优秀青年基金项目、国家重点研发计划课题、科技部重大科学仪器专项任务、国防科工局民用航天预研重点基金、湖北省创新群体等多项国家和省部级重大科技项目资助，并作为副组长承担国基金重点项目和重大项目课题。团队在Optica、Opto-Electronic Advances、Sensors and Actuators B等光学领域国际知名杂志上发表SCI论文100余篇，出版4本学术专著的独立章节，授权发明专利40余项，研究成果在多个领域推广应用，获得中国通信学会技术发明一等奖/自然科学二等奖、中国光学工程学会创新产品一等奖、日内瓦国际发明展览会金奖等。
论文原文
Yang LY, Li YP, Fang F, Li LY, Yan ZJ et al. Highly sensitive and miniature microfiber-based ultrasound sensor for photoacoustic tomography. Opto-Electron Adv 5, 200076 (2022).
https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2022.200076
DOI:10.29026/oea.2022.200076
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