Но у ультразвуковой визуализации есть свои ограничения. Его разрешение часто ограничено длиной акустической волны, которая довольно велика по сравнению с длинами оптических волн.
Это усугубляется ограничениями акустических преобразователей: они обычно оптимизированы для небольшого диапазона акустических частот, что ограничивает разрешающую способность измерений времяпролетного типа. Затем возникает проблема попадания звуковых волн в тело и из него.
Большое несоответствие акустических свойств человеческого тела и воздуха (или сплошного микрофона) может привести к большим потерям. Чтобы преодолеть эту проблему, ученые и инженеры придумали несколько довольно творческих решений, таких как частичное погружение пациента в ванну для улучшения акустического согласования.
Возможность разместить источники звука в любом месте тела с хорошим акустическим согласованием позволит избежать этих проблем. Но современные технологии не позволяют этого, потому что преобразователи требуют громоздкого источника питания.
Лан и его коллеги, сообщающие в рецензируемом журнале открытого доступа Advanced Photonics, разработали беспроводной ультразвуковой преобразователь, который эффективно возбуждается микроволнами. В результате получился простой маслонаполненный пластырь, который можно разместить на любом участке тела. Без батареек, без проводов и без ванны.
Проволочная петля вызывает хорошие вибрации
Основной принцип основан на использовании поглощения микроволн для генерации звуковых волн. Микроволны – отличный компромисс между фотоакустической визуализацией с высоким разрешением, но малой глубиной визуализации, и традиционной ультразвуковой визуализацией. Микроволны приводят к более низкому разрешению по сравнению с оптическими системами, но и рассеяние также намного меньше, поэтому глубина возбуждения больше не является проблемой. Но поглощение микроволн телом также очень низкое, поэтому генерируемые звуковые волны очень слабые.
Поглощенная мощность пропорциональна амплитуде микроволн. Микроволновая печь с высокой амплитудой вызовет более сильную акустическую волну. К сожалению, побочный эффект заключается в том, что вы можете нечаянно приготовить человека, которого изображаете.
Чтобы избежать случайного приготовления, микроволны должны быть сконцентрированы именно там, где они необходимы. Это то, что разработало устройство, разработанное Ланом и его коллегами.
Метод основан на свойствах разъемного кольцевого резонатора. Резонатор с разъемным кольцом – это разорванная проволочная петля.
Под воздействием микроволн в кольце протекает ток. Но поскольку кольцо не является полным, заряд «накапливается» в зазоре, создавая большое напряжение между концами провода.
Это большое колебательное напряжение означает, что прямо в зазоре поглощаемая мощность высока, и термоупругие акустические волны генерируются эффективно.
Резонатор означает, что он наиболее эффективен на определенной частоте излучения. Разрезные кольцевые резонаторы не являются исключением: резонансная частота определяется диаметром проволочного кольца и средой, в которой оно находится. Лан и его коллеги выбрали диаметр около 13 мм, который резонирует примерно на 2 мм.3 ГГц в воздухе и 2.5 ГГц в масле.
Но более важной особенностью является полоса пропускания резонатора. Здесь перед исследователями стоит выбор. Для увеличения поглощаемой мощности целесообразно иметь резонатор с очень узкой полосой пропускания. Однако для получения очень коротких звуковых импульсов полоса пропускания должна быть очень широкой.
В итоге исследователи получили разрезной кольцевой резонатор с полосой пропускания около 200 МГц, что примерно в 10-20 раз больше, чем у традиционного пьезоэлектрического преобразователя.
Конформный беспроводной резонатор
Гибкость разъемного кольцевого резонатора была продемонстрирована серией экспериментов, показывающих, что его можно использовать для генерации смесей ультразвуковых частот путем импульсного микроволнового возбуждения.
Акустические частоты до 2.Были произведены 5 МГц, но, исходя из ширины резонанса разъемного кольцевого резонатора, вероятно, могут быть получены более высокие частоты.
Наверное, самым большим преимуществом является то, что резонатор представляет собой просто медное кольцо. Поместив кольцо в пластиковый конверт с небольшим количеством масла (масло поглощает микроволны и соответствует акустическим свойствам тела), кольцо можно разместить в любом месте на теле и возбуждать дистанционно. Исследователи демонстрируют это с помощью фантома груди.
Кольцо помещалось под грудью, а оборудование для обнаружения сверху. Ультразвуковые сигналы, возбуждаемые беспроводным способом, были сильными, и исследователи показали, что для получения ультразвукового сигнала требуется всего 10 мВт средней мощности.
Теперь, когда доказательство принципа продемонстрировано, следующим шагом должно быть создание системы визуализации.