并行詢問的微環(huán)傳感器陣列用于光聲層析成像

光聲層析成像（PAT）是一種具有吸引力的成像模式，可提供具有聲學(xué)分辨率的光學(xué)對比度。光聲層析成像應(yīng)用的最新進(jìn)展在很大程度上依賴于集成眾多元件的超聲傳感器陣列的開發(fā)和應(yīng)用。盡管片上光學(xué)超聲傳感器已被證明具有高靈敏度、大帶寬和小尺寸，但是使用片上光學(xué)超聲傳感器陣列的光聲層析成像卻很少被報道。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院沈樂成副教授、李朝暉教授團(tuán)隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Parallel interrogation of the chalcogenide-based micro-ring sensor array for photoacoustic tomography”的論文，該論文的共同第一作者為潘競順和李強，共同通訊作者為沈樂成副教授和李朝暉教授。

在這項研究工作中，研究人員使用含有15個元件的基于硫族化合物的微環(huán)傳感器陣列演示了光聲層析成像，而每個元件支持175MHz（?6?dB）的帶寬和2.2?mPa/√Hz的噪聲等效壓力。此外，通過合成數(shù)字光學(xué)頻率梳（DOFC），研究人員進(jìn)一步開發(fā)了一種對該傳感器陣列進(jìn)行并行詢問的有效方法。作為概念驗證，僅使用一個光源和一個光電接收器演示了該傳感器陣列的光聲層析成像并行詢問，實現(xiàn)了對快速移動的物體、葉脈和活體斑馬魚的成像。基于硫族化合物的微環(huán)傳感器陣列的優(yōu)越性能以及DOFC實現(xiàn)的并行詢問的有效性為光聲層析成像技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供了巨大的發(fā)展前景。

該傳感器陣列的主要部件是微環(huán)傳感器和總線波導(dǎo)。圖2（a）和2（b）分別顯示了微環(huán)傳感器和總線波導(dǎo)的掃描電子顯微（SEM）照片。每個微環(huán)傳感器的直徑為40?μm，截面高度為850?nm，寬度為2.4?μm。它們之間的中心距離為400μm，并且它們中的每一個都占據(jù)大約0.85μm ×? 40?μm × ?40?μm的有效區(qū)域?。通過使用有限元方法（COMSOL Multiphysics 5.6），圖2（c）和（d）分別顯示了微環(huán)傳感器和波導(dǎo)內(nèi)部傳播模式的數(shù)值模擬強度分布，表現(xiàn)出良好的模式約束。出于實際考慮，研究人員在一個芯片上制作了許多具有不同參數(shù)的微環(huán)傳感器陣列，如圖2（e）中的顯微圖像所示。在檢查性能之后，將只包含一個傳感器陣列的部件進(jìn)行切割并封裝，占位面積大約為6?mm ?× ?2?mm。特別地，圖2（f）中紅色框內(nèi)的總線波導(dǎo)末端連接到單模光纖，放大視圖如圖2（g）所示。

圖2 基于硫族化合物的微環(huán)傳感器陣列的結(jié)構(gòu)

研究人員首先表征了微環(huán)傳感器在水環(huán)境中的性能，如圖3所示。

圖3 微環(huán)超聲傳感器的表征

采用微環(huán)傳感器陣列進(jìn)行光聲層析成像的實驗設(shè)置如圖4（a）所示。圖4（b）繪制了零值情況下測得的透射光譜隨時間的變化。當(dāng)激光誘導(dǎo)的超聲波信號對這些微環(huán)進(jìn)行調(diào)制時，圖4（c）描繪了測量的透射光譜與時間的關(guān)系。重建后的超聲信號作為每個微環(huán)傳感器的時間函數(shù)如圖4（d）所示。

圖4 利用硫族化合物微環(huán)傳感器陣列進(jìn)行光聲層析成像的實驗設(shè)置和工作原理

研究人員首先在快速運動物體成像上實現(xiàn)了對傳感器陣列的并行詢問。在第一次演示中，利用兩軸振鏡掃描黑色膠帶上聚焦的光脈沖，創(chuàng)建了一個快速移動的熱點。該熱點的直徑約為100μm，能量為1nJ，沿“8”形軌跡運動。DOFC可以同時對所有微環(huán)傳感器的光聲信號進(jìn)行并行詢問，并使用通用反投影（UBP）來重建該線性陣列的圖像。盡管這種成像方案下的幀率可以達(dá)到10kHz，但研究人員在5ms的時間窗口內(nèi)只選取了8張代表性圖像來顯示圖5（a）中所創(chuàng)建的熱點的運動軌跡。

除了對虛擬熱點進(jìn)行成像外，研究人員還演示了對運動中的聚苯乙烯微球進(jìn)行成像。微球直徑為200μm，被放置在內(nèi)徑為500μm的塑料管中。不同時間間隔重建的圖像如圖5（b）所示，具有并行詢問的微環(huán)傳感器陣列對運動物體成像表現(xiàn)出良好的可靠性。

圖5 微環(huán)傳感器陣列對快速運動物體成像的實驗結(jié)果

研究人員進(jìn)一步將具有并行詢問功能的微環(huán)傳感器陣列應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物樣本成像。圖6（a）為利用微環(huán)傳感器陣列重建的葉片圖像，在各個方向上呈現(xiàn)出清晰的葉脈結(jié)構(gòu)。作為對比，使用典型微環(huán)傳感器重建的圖像如圖6（b）所示。值得注意的是，圖6（a）中的葉脈比圖6（b）中的葉脈表現(xiàn)出更好的對比度。這些結(jié)果證實了微環(huán)傳感器陣列的性能優(yōu)于單個微環(huán)傳感器。

圖6 微環(huán)傳感器陣列對生物樣本成像的實驗結(jié)果

研究人員還通過對微環(huán)傳感器陣列使用DOFC實現(xiàn)的并行詢問對處于不同生長階段的活體斑馬魚進(jìn)行了光聲層析成像。對于3個月大的成年斑馬魚，其頭部和尾部的重建圖像分別如圖 6（f）和6（g）所示。研究人員還對受精后7天和20天的較小斑馬魚進(jìn)行了全身成像，重建圖像分別如圖6（h）和6（i）所示。這些成像結(jié)果證實了微環(huán)傳感器陣列和DOFC實現(xiàn)的并行詢問對活體光聲層析成像的可行性和有效性。

綜上所述，本研究報道了一種集成15個元件的基于硫族化合物的微環(huán)傳感器陣列。該光學(xué)超聲陣列的特征參數(shù)與目前被報道的最先進(jìn)的光學(xué)超聲傳感器相當(dāng)。研究人員還開發(fā)了一種僅使用一對光源-探測器并行詢問微環(huán)傳感器陣列的有效方法。與之前展示的微環(huán)傳感器陣列相比，開發(fā)的并行詢問方法可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)置，同時加快數(shù)據(jù)采集過程。這種簡化對于開發(fā)具有光學(xué)超聲傳感器陣列的頭戴式成像設(shè)備特別有價值，因為這些設(shè)備既需要緊湊的尺寸，又需要快速的數(shù)據(jù)采集。此外，并行詢問的方式消除了同步每個元件測量的信號的必要性，這有利于光聲層析成像的數(shù)據(jù)收集和圖像重建過程。憑借這些優(yōu)勢，研究人員還提供了對快速移動的物體和不同生長階段的活體斑馬魚進(jìn)行成像的演示。這項研究工作提出了一種基于硫族化合物的微環(huán)傳感器陣列及其兼容的DOFC并行詢問，是將光學(xué)超聲傳感器陣列推進(jìn)光聲層析成像的臨床前和臨床應(yīng)用的重要里程碑。

審核編輯：劉清