用于体内超声和光声双模显微成像的超灵敏透明超声换能器设计

超声成像（USI）和光学成像（OI）传感器因其简单、安全及高成本效益，非常适合传感器融合应用。将USI与各种OI模式（如光声成像、光学相干断层扫描、荧光成像和白光成像等）结合使用可以提供互补的信息，提高疾病诊断和监测的灵敏度及特异性，同时最大限度地减少每种模式单独使用时的缺点。然而，目前仍存在两个主要障碍：一是在同一封装中无缝集成USI和OI模式，二是保持每种模式的最佳性能。

利用透明超声换能器（TUT）或透明光学探测器可以克服外形尺寸挑战，实现USI和OI的无缝集成。但现有研究的TUT声学性能不如传统的不透明超声换能器（OUT）。已有报道通过透明聚焦光学传感器展示了高质量的多尺度光声成像，但其光学传感器无法生成超声图像。

制造声学性能媲美OUT的实用TUT需要三个先决条件：（1）声阻抗为7~9 MRayl（1 Rayl = 1 Pa·s·m⁻¹ = 1 kg/(m²·s)）的透明前匹配材料，以最大限度地提高传输效率；（2）超过5 MRayl的透明背衬材料，以通过平衡电学和声学Q因子来消除振铃（ringdown）；（3）所有层之间的牢固连接，没有导致超声换能器品质降低的间隙。

第一个先决条件，前匹配层确保了稳定而高的水传输压，尤其是在双匹配结构中与声阻抗为2~3 MRayl的纯聚合物一起使用时。在此，研究人员的目标是利用由7.5 MRayl第一层和2.36 MRayl第二层组成的双匹配层来实现平坦的高增益。背衬材料的声阻抗要求平衡了声学和电学Q因子。鉴于正面规格，声阻抗为7.2 MRayl的背衬材料可以实现最佳带宽。在具有类似设计的超声换能器中，通常会采用5~6 MRayl的声阻抗，这样既不会使Q因子严重失衡，又能提高灵敏度。本研究也希望采用略低的声阻抗，因此采用了共振中心声阻抗为6.1 MRayl的双层衬底结构。该设计采用了一个3.8 MRayl的匹配层，以增加背面的有效声阻抗，同时又不损失透明度。

为确保各层之间的牢固连接，相比声波波长，粘合间隙应最小。消除粘合间隙最有效的方法是将匹配的背衬材料用作粘合剂，并直接固化在粘合面上。因此，本研究旨在创造一种粘度适合粘合剂粘合的材料。100 McPs的粘度被认为是上限，因为粘度较高的材料很难在表面上均匀浇注或铺展。

本文所提出的透明超声换能器（TUT）、传统不透明超声换能器（OUT）和传统TUT的计算性能比较

据麦姆斯咨询报道，近期，韩国浦项科技大学的研究人员在Nature Communications期刊上发表了一篇题为“An ultrasensitive and broadband transparent ultrasound transducer for ultrasound and photoacoustic imaging in-vivo”的文章。为了同时满足上述三个要求，研究人员利用实验和模拟设计了一种配方，以提供所需要的声学、流变学和光学特性。本研究所提出的粘合剂SiO₂/epoxy复合材料具有优化的光学透明度、声阻抗和流动性。基于这些创新，研究人员开发出了一种宽带（63%带宽）超灵敏TUT，同时保持了光学透明度（>80%）。

此外，研究人员还将这种高性能TUT应用于活体动物和人体的全集成双模显微超声成像和光声成像系统。通过利用所开发的TUT，该高清晰度、高对比度超声成像和光声成像系统实现了前所未有的性能：两种模式的成像深度均超过15 mm，超声成像的轴向分辨率达到了32.6 μm（相当于深度分辨率比>500），光声成像的轴向分辨率达到了40.4 μm（相当于深度分辨率比>370）。这一重大进步实现了真正的双模超声成像和光声成像，首次同时提供了高清晰度的超声成像和光声成像。研究人员相信，这项研究成果为TUT设计树立了新标杆，并将推动传感器融合技术的发展。

本文所提出的透明超声换能器（TUT）结构及其光学透射率

采用高性能透明超声换能器（TUT）的集成超声（US）和光声（PA）显微系统示意图及其成像性能

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45273-4

审核编辑：刘清