超聲成像是現(xiàn)代醫(yī)院的主要力量之一。它達到了相對便宜、便攜、無創(chuàng)的三重效果。能夠讓未來的父母對胎兒形象產(chǎn)生情感也是一種令人欽佩的特權(quán)。
但是超聲成像確實有其局限性。與光學(xué)波長相比，它的分辨率通常受到聲波波長的限制，聲波波長相當(dāng)長。聲學(xué)換能器的局限性進一步加劇了這些問題：它們通常針對小音頻范圍進行優(yōu)化，這限制了飛行時間類型測量的分辨率。然后就是讓聲波進出人體的問題。與人體空氣(或強麥克風(fēng))聲學(xué)特性的巨大不匹配會造成巨大損失。為了克服這個問題，科學(xué)家和工程師提出了一些創(chuàng)造性的解決方案，例如將患者部分浸入浴缸中以改善聲學(xué)匹配。能夠?qū)⒙曉捶胖迷谏眢w上具有良好聲學(xué)匹配的任何地方將避免這些問題。
蘭和他的同事在同行評議的開放存取期刊《高級光子學(xué)》上報道，他們開發(fā)了一種可以被微波有效激發(fā)的無線超聲波換能器。因此，一個簡單的充油貼片可以放在身體的任何地方。沒有電池，電線或浴缸。
該回路產(chǎn)生良好的振動。
基本原理是利用微波吸收產(chǎn)生聲波。微波是高分辨率低成像深度光聲成像和傳統(tǒng)超聲成像的完美結(jié)合。與光學(xué)系統(tǒng)相比，微波導(dǎo)致分辨率較低，但散射要低得多，因此激發(fā)深度不再是問題。但是人體對微波的吸收也很低，所以產(chǎn)生的聲波非常微弱。
吸收的功率與微波的振幅成正比。高振幅微波會產(chǎn)生更強的聲波。不幸的是，你可能會無意中把要成像的人給煮了。為了避免意外烹飪，微波爐應(yīng)該集中在需要的地方。這是蘭及其同事開發(fā)的設(shè)備的功能。
這種技術(shù)取決于開口環(huán)形諧振器的特性。開環(huán)諧振器是一個斷開的線環(huán)。當(dāng)暴露在微波下時，電流在環(huán)中流動。然而，由于回路不完整，電荷會在間隙處“積聚”，從而在導(dǎo)線兩端之間產(chǎn)生較大的電壓。如此大的振蕩電壓意味著只有間隙中吸收的功率高，并且可以有效地產(chǎn)生熱彈性感應(yīng)聲波。
現(xiàn)在，諧振器意味著它在特定的輻射頻率下效率最高。開環(huán)諧振器也不例外：諧振頻率由線環(huán)的直徑及其所處的介質(zhì)控制。蘭和他的同事選擇了一個直徑約13毫米，在空氣中2.3千兆赫共振，在石油中2.5千兆赫共振。然而，更重要的特征是諧振器的帶寬。在這里，研究人員面臨一個選擇。為了增加吸收的功率量，具有非常窄帶寬的諧振器是有益的。然而，為了產(chǎn)生非常短的聲音脈沖，帶寬需要非常寬。最后，研究人員獲得了帶寬約為200兆赫的開口環(huán)形諧振器，約為傳統(tǒng)壓電換能器的10-20倍。
共形無線諧振
通過一系列實驗證明了開口環(huán)諧振器的靈活性，表明它可以通過激發(fā)微波脈沖產(chǎn)生超聲頻率的混合。產(chǎn)生高達約2.5兆赫的音頻，但是基于開口環(huán)形諧振器的諧振寬度，可以產(chǎn)生更高的頻率。
也許最大的優(yōu)點是諧振器只是一個銅環(huán)。通過將戒指放置在一個填充了一些油的塑料外殼中(油吸收微波并匹配人體的聲學(xué)特性)，戒指可以放置在人體的任何地方并被遠程激發(fā)。研究人員用乳房錯覺證明了這一點。將戒指放在乳房下，測試裝置放在頂部。無線激發(fā)的超聲波信號非常強，研究人員表明，獲得超聲波信號所需的平均功率低至10mW。
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