用于光声成像的双频透明CMUT阵列
2024-07-20 14:47:22   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光声成像是一种新颖且功能强大的成像技术，它将超声和光学成像技术融合为一体。光声成像技术利用超声的深度穿透能力和光学的高对比度优势，在生物医学领域广泛应用，包括血流动力学监测、脑成像和乳腺癌检测等。

传统的光声成像系统通常采用非透明超声换能器，必须以倾斜角度照射目标。这种配置不仅导致系统体积庞大，还需要频繁调节换能器和激光器的对准位置，并且容易产生成像盲区。此外，与超声波相比，激光传输路径更长，光学衰减会导致成像信噪比（SNR）降低。通过使用透明超声换能器直接将激光照射到被检测目标上，可以有效缓解这些问题。

据麦姆斯咨询报道，近期，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）的研究团队提出一种透明电容式微机械超声换能器（CMUT）线性阵列，具备双频工作特性，适用于穿透式照明光声成像。该双频透明CMUT阵列在可见光范围内的最大光学透明度达到76.8%。与单频模式相比，该双频透明CMUT阵列具有更宽的带宽，在金属丝目标的穿透照明光声成像中表现出更高的空间分辨率和成像深度。相关研究成果以“Transparent Dual-Frequency CMUT Arrays for Photoacoustic Imaging”为题发表在IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control期刊上。

这项研究提出的双频透明CMUT阵列，通过粘合剂晶圆键合方法制备而成。研究人员使用透明聚合物双苯并环丁烯（BCB）作为粘合剂和侧壁材料，光学透明导体氧化铟锡（ITO）作为上下电极，氮化硅作为CMUT膜，实现了光学透明。为了保持CMUT器件的灵敏度一致，研究人员在尽量不影响器件透明度的前提下，通过制备薄Cr/Cu/Cr/Au金属叠层条带，进一步提高了顶部ITO电极的导电性。此外，为了同时保持更高的空间分辨率和更深的成像深度，该双频CMUT阵列由中心频率分别为4.2 MHz和9.3 MHz的低频和高频通道组成，并采用交错结构配置，以最小化接收点扩散函数（PSF）中的光栅裂片效应。经测量，该透明双频CMUT阵列在可见光范围内的最大光学透明度为76.8%。

图1 双频透明CMUT阵列的制造工艺简化示意图

图2 双频透明CMUT阵列（左侧为低频通道，右侧为高频通道）

图3 双频透明CMUT阵列的光学透明度测量

研究人员利用所制备的双频透明CMUT阵列对悬浮在不同深度的金属丝模型进行了穿透照明光声成像，并评估了两个通道的性能。通过比较低频和高频子阵列获取的光声图像，结果显示，双频操作相较于单频操作能够保持更深的成像深度和更高的空间分辨率。在双频工作模式下，该器件的带宽比单独使用低频和高频的情况分别提高了60%和79%。

图4 基于双频透明CMUT阵列进行水听器测量的实验装置

图5 基于双频透明CMUT阵列低频和高频通道对透射超声波进行水听器测量

图6 基于双频透明CMUT阵列进行透射光声成像的实验装置

图7 在40 dB动态范围内基于CMUT阵列低频（a）和高频（b）通道获取铝线目标的光声图像

图8 基于第一根铝线目标测量的CMUT阵列低频和高频通道的点扩散函数（PSF）

综上所述，这项研究工作提出了一种适用于穿透式照明光声成像的双频透明CMUT阵列。该CMUT阵列将透射光声成像和宽带操作集于一体，其透明性有助于提高信噪比，而双频操作则确保了高分辨率和深度成像。这项研究工作为用于实时3D光声成像的宽带透明CMUT阵列研究奠定了基础。

论文信息：DOI: 10.1109/TUFFC.2023.3331356

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