“热环”无线产生微波超声波脉冲

超声成像是现代医院的重要设备之一。它具有相对便宜、便携和非侵入性三大优点。但是超声波成像也有它的局限性。它的分辨率往往受到声波波长的限制，与光学波长相比声波波长更长。这是由声学转换器的局限性所造成的：它们通常为小范围的声学频率进行优化，这限制了飞行时间型测量的分辨率。然后就是声波进出身体的问题了。人体的声学特性与空气(或固体麦克风)之间的极大不匹配会造成巨大的损耗。为了克服这一问题，科学家和工程师们想出了一些颇具创意的解决方案，比如让病人部分浸泡在浴缸中以提高声音匹配度。能够将声源放置在身体的任何地方，并具有良好的声学匹配将避免这些问题。但目前的技术还不允许这样做，因为换能器需要巨大的电源。
      近日，来自哥伦比亚大学的研究人员们开发了一种能被微波有效激发的无线超声波换能器。其结果是一个简单的油填充贴片，可以放置在身体的任何地方,线圈能产生良好的振动。 其基本原理是利用微波吸收产生声波。微波是介于高分辨率但成像深度较低的光声成像和传统超声成像之间的一种极好的折衷。微波的分辨率比光学系统低，但散射也低得多，因此激发深度不再是一个问题。但是人体对微波的吸收也非常低，所以产生的声波非常微弱。 吸收的能量与微波的振幅成正比。高振幅的微波会产生更强的声波。但可能会无意中把其他目标加热。为了避免这种情况，微波应该集中在需要的地方。这就是研究人员们开发的设备所做的。
      该技术依赖于裂环谐振器的特性。裂环谐振器是一个断裂的线圈。当暴露在微波中时，圆环里就会有电流流动。但是由于环不完整，电荷就会“堆积”在间隙处，在导线两端之间产生巨大的电压。这种巨大的振荡电压意味着，仅仅在缝隙中吸收的能量就很高，并且有效地产生了弹性热激声波。
       谐振器在特定的辐射频率下效率最高，分裂环谐振器也不例外。其谐振频率由线环的直径和放置介质控制。研究人员们选择了一种直径约13毫米，在空气中共振频率为2.3 GHz，在油中共振频率为2.5 GHz的谐振器。但更重要的特征是谐振腔的带宽。为了增加吸收的功率，谐振腔的带宽很窄是有益的。然而，为了产生非常短的脉冲声，带宽需要非常宽。研究人员最终得到了一个带宽约为200MHz的裂环谐振器，大约是传统压电换能器的10-20倍。
       研究人员们通过一系列的实验证明了分裂环谐振器的灵活性，它可以通过微波激励产生超声频率混合物。产生的声波频率最高可达2.5兆赫，但基于分裂环谐振器的共振宽度，可能会产生更高的频率。
       这项设计可能最大的优点是谐振器只是一个铜环，把环放在一个涂有油的塑料信封里(油能吸收微波并与身体的声学特性相匹配)，这个环就可以放在身体的任何地方并远程激活。研究人员用乳房成像证明了这一点。将环放在乳房下面，检测设备放在上面，无线激发的超声波信号很强。研究人员表示，获得超声波信号平均只需10mW的功率。目前原理已经得到了证明，研究人员下一步的目标是建立一个成像系统。

图：基于裂环谐振器产生超声波的热声成像