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研究人员发现热环通过微波无线产生超声波脉冲

导读超声成像是现代医院的主要力量之一。它达到了相对便宜、便携、无创的三重效果。能够让未来的父母对胎儿形象产生情感也是一种令人钦佩的特权

超声成像是现代医院的主要力量之一。它达到了相对便宜、便携、无创的三重效果。能够让未来的父母对胎儿形象产生情感也是一种令人钦佩的特权。

但是超声成像确实有其局限性。与光学波长相比,它的分辨率通常受到声波波长的限制,声波波长相当长。声学换能器的局限性进一步加剧了这些问题:它们通常针对小音频范围进行优化,这限制了飞行时间类型测量的分辨率。然后就是让声波进出人体的问题。与人体空气(或强麦克风)声学特性的巨大不匹配会造成巨大损失。为了克服这个问题,科学家和工程师提出了一些创造性的解决方案,例如将患者部分浸入浴缸中以改善声学匹配。能够将声源放置在身体上具有良好声学匹配的任何地方将避免这些问题。

兰和他的同事在同行评议的开放存取期刊《高级光子学》上报道,他们开发了一种可以被微波有效激发的无线超声波换能器。因此,一个简单的充油贴片可以放在身体的任何地方。没有电池,电线或浴缸。

该回路产生良好的振动。

基本原理是利用微波吸收产生声波。微波是高分辨率低成像深度光声成像和传统超声成像的完美结合。与光学系统相比,微波导致分辨率较低,但散射要低得多,因此激发深度不再是问题。但是人体对微波的吸收也很低,所以产生的声波非常微弱。

吸收的功率与微波的振幅成正比。高振幅微波会产生更强的声波。不幸的是,你可能会无意中把要成像的人给煮了。为了避免意外烹饪,微波炉应该集中在需要的地方。这是兰及其同事开发的设备的功能。

这种技术取决于开口环形谐振器的特性。开环谐振器是一个断开的线环。当暴露在微波下时,电流在环中流动。然而,由于回路不完整,电荷会在间隙处“积聚”,从而在导线两端之间产生较大的电压。如此大的振荡电压意味着只有间隙中吸收的功率高,并且可以有效地产生热弹性感应声波。

现在,谐振器意味着它在特定的辐射频率下效率最高。开环谐振器也不例外:谐振频率由线环的直径及其所处的介质控制。兰和他的同事选择了一个直径约13毫米,在空气中2.3千兆赫共振,在石油中2.5千兆赫共振。然而,更重要的特征是谐振器的带宽。在这里,研究人员面临一个选择。为了增加吸收的功率量,具有非常窄带宽的谐振器是有益的。然而,为了产生非常短的声音脉冲,带宽需要非常宽。最后,研究人员获得了带宽约为200兆赫的开口环形谐振器,约为传统压电换能器的10-20倍。

共形无线谐振

通过一系列实验证明了开口环谐振器的灵活性,表明它可以通过激发微波脉冲产生超声频率的混合。产生高达约2.5兆赫的音频,但是基于开口环形谐振器的谐振宽度,可以产生更高的频率。

也许最大的优点是谐振器只是一个铜环。通过将戒指放置在一个填充了一些油的塑料外壳中(油吸收微波并匹配人体的声学特性),戒指可以放置在人体的任何地方并被远程激发。研究人员用乳房错觉证明了这一点。将戒指放在乳房下,测试装置放在顶部。无线激发的超声波信号非常强,研究人员表明,获得超声波信号所需的平均功率低至10mW。

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