【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮院士、邱維寶研究員、劉成波研究員團隊，與西安交通大學李飛教授團隊合作，開發了一款新型超靈敏、寬帶透明超聲換能器，突破了透明超聲換能器性能瓶頸，實現了高分辨、大視場、快速光聲顯微成像，為基于透明換能器的光聲成像、聲光多模態成像的生物醫學應用鋪平了道路。研究成果以“Transparent ultrasonic transducers based on relaxor ferroelectric crystals for advanced photoacoustic imaging”為題發表在Nature Communications期刊上。論文第一作者分別是西安交通大學和深圳先進院聯培博士生邱超銳、深圳先進院張志強副研究員和徐智強副研究員。
 

　　透明超聲換能器可以高密度集成聲學模塊和光學模塊，是光聲成像以及聲光多模態成像走向應用的關鍵。傳統超聲換能器是非透明的，存在光路和聲路的空間耦合難題，導致成像系統復雜以及近場盲區等問題。已報道的透明超聲換能器性能難以跟傳統超聲換能器相媲美，嚴重影響成像質量，限制了透明超聲換能器的實際應用。本工作基于新型透明壓電單晶，設計優化了透明換能器新型結構和制備工藝，突破了透明換能器性能瓶頸，性能可以與傳統非透明換能器相媲美，甚至超過了一般傳統非透明換能器性能；基于研制的高靈敏度寬帶透明換能器，實現了微米級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態成像。
 

　　(a)PIN-PMN-PT透明壓電單晶實物照片及性能對比，(b)新型透明超聲換能器結構示意圖、實物照片、及性能對比，(c)活體小鼠耳朵毛細血管高分辨率光聲成像，(d)癲癇模型小鼠腦血流動態光聲成像。

 

　　透明壓電超聲換能器簡介
 

　　壓電超聲換能器以其靈敏度高、結構簡單，設計靈活等優勢，在生物醫學超聲技術中應用廣泛。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計，可以使換能器在滿足超聲波的接收和發射等基本功能的同時，還能夠允許光路的徑直通過，從而有利于各種光學系統的介入和光學操作的實施，是光聲成像、聲光多模態成像技術的理想選擇。
 

　　新型透明壓電單晶
 

　　傳統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際應用。西交李飛教授團隊通過新型的交流極化工藝開發了高透光率(~70%)的PIN-PMN-PT透明壓電單晶，且具有優異的壓電性能和溫度穩定性(相變溫度~120℃)。
 

　　高性能透明超聲換能器
 

　　基于開發的高性能PIN-PMN-PT透明壓電單晶，設計了石英玻璃和環氧樹脂雙層聲匹配層方案，通過優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，同時設計優化了新型電極引線結構和ITO透明電極的性能，從而實現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%)，實現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道的性能最佳透明換能器的3.5倍和1.3倍，可以與傳統非透明換能器性能相媲美，甚至超過了一般的傳統非透明換能器性能。
 

　　活體小鼠高分辨率、大視場、快速光聲顯微成像
 

　　基于研制的透明超聲換能器開發了光學分辨率光聲顯微成像系統(OR-PAM)，首次實現了基于透明換能器的腦疾病模型連續動態成像應用。傳統的非透明換能器和已報到的部分透明換能器因為靈敏度低，需要對成像結果進行多次平均，嚴重影響成像速度(單次成像時間幾分鐘或以上)；或者需要采用聲透鏡等聲場聚焦器件來提高探測靈敏度，導致成像系統的探測視場非常小(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，使得成像系統可以通過二維振鏡光學掃描實現對活體組織大視場(毫米級別)、快速(幀率0.8Hz)高分辨(微米級別，可分辨單根毛細血管)成像。
 

　　未來方向
 

　　未來研究可以在透明換能器、成像技術和成像應用三個層面繼續推進。首先，在透明換能器方面，由于高的介電常數，PIN-PMN-PT透明壓電單晶在制備陣列超聲換能器上更有優勢，研制透明陣列換能器一方面可以將成像視場擴展到厘米級別，另一方面有利于實現超聲、光聲、光學等多模態融合成像。其次，在成像技術方面，可以采用高重頻激光器并結合高速掃描方案繼續提升基于透明換能器的OR-PAM的成像速度，實現視頻幀率成像。第三，在成像應用方面，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)對信號的衰減，并且方便腦成像操作以及實現熒光等多模態腦成像；另外，可以充分利用透明換能器體積小、重量輕的優勢，實現頭戴、貼片等可穿戴成像應用。