新型超灵敏宽带透明超声换能器助力高质量光声及声光多模态成像
新型超灵敏宽带透明超声换能器助力高质量光声及声光多模态成像
近日，中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士、邱维宝研究员、刘成波研究员团队，与西安交通大学李飞教授团队合作，开发了一款新型超灵敏、宽带透明超声换能器，突破了透明超声换能器性能瓶颈，实现了高分辨、大视场、快速光声显微成像，为基于透明换能器的光声成像、声光多模态成像的生物医学应用铺平了道路。研究成果以“Transparent ultrasonic transducers based on relaxor ferroelectric crystals for advanced photoacoustic imaging”为题发表在Nature Communications期刊上。论文第一作者分别是西安交通大学和深圳先进院联培博士生邱超锐、深圳先进院张志强副研究员和徐智强副研究员。
（a）PIN-PMN-PT透明压电单晶实物照片及性能对比，（b）新型透明超声换能器结构示意图、实物照片、及性能对比，（c）活体小鼠耳朵毛细血管高分辨率光声成像，（d）癫痫模型小鼠脑血流动态光声成像。
透明压电超声换能器简介
压电超声换能器以其灵敏度高、结构简单，设计灵活等优势，在生物医学超声技术中应用广泛。透明压电超声换能器是一种基于透明压电材料研制的新型换能器，通过压电层、匹配层、背衬层和电极的透明化设计，可以使换能器在满足超声波的接收和发射等基本功能的同时，还能够允许光路的径直通过，从而有利于各种光学系统的介入和光学操作的实施，是光声成像、声光多模态成像技术的理想选择。
新型透明压电单晶
传统超声换能器大都基于锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷和铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）压电单晶材料制备，是不透明的。当前制备透明超声换能器的常用透明压电材料是铌酸锂（LiNbO3）单晶。但是铌酸锂单晶压电性能不高，制备的透明换能器灵敏度和带宽都不佳，限制了铌酸锂透明换能器的实际应用。西交李飞教授团队通过新型的交流极化工艺开发了高透光率（70%）的PIN-PMN-PT透明压电单晶，且具有优异的压电性能和温度稳定性（相变温度120℃）。
高性能透明超声换能器
基于开发的高性能PIN-PMN-PT透明压电单晶，设计了石英玻璃和环氧树脂双层声匹配层方案，通过优化双层声匹配层制备工艺，大幅度提高了透明换能器声波传输效率，同时设计优化了新型电极引线结构和ITO透明电极的性能，从而实现了透明超声换能器超高灵敏度（双路插入损坏-17.6dB）和带宽（~80%），实现了透明换能器性能突破。研制的透明换能器灵敏度和带宽分别是目前已报道的性能最佳透明换能器的3.5倍和1.3倍，可以与传统非透明换能器性能相媲美，甚至超过了一般的传统非透明换能器性能。
活体小鼠高分辨率、大视场、快速光声显微成像
基于研制的透明超声换能器开发了光学分辨率光声显微成像系统（OR-PAM），首次实现了基于透明换能器的脑疾病模型连续动态成像应用。传统的非透明换能器和已报到的部分透明换能器因为灵敏度低，需要对成像结果进行多次平均，严重影响成像速度（单次成像时间几分钟或以上）；或者需要采用声透镜等声场聚焦器件来提高探测灵敏度，导致成像系统的探测视场非常小（几十微米）。本工作研制的高性能透明换能器突破了上述限制，使得成像系统可以通过二维振镜光学扫描实现对活体组织大视场（毫米级别）、快速（帧率0.8Hz）高分辨（微米级别，可分辨单根毛细血管）成像。
未来方向
未来研究可以在透明换能器、成像技术和成像应用三个层面继续推进。首先，在透明换能器方面，由于高的介电常数，PIN-PMN-PT透明压电单晶在制备阵列超声换能器上更有优势，研制透明阵列换能器一方面可以将成像视场扩展到厘米级别，另一方面有利于实现超声、光声、光学等多模态融合成像。其次，在成像技术方面，可以采用高重频激光器并结合高速扫描方案继续提升基于透明换能器的OR-PAM的成像速度，实现视频帧率成像。第三，在成像应用方面，可以将透明换能器本身作为颅窗材料，从而消除常用的光声脑成像颅窗材料（如PDMS或PVC薄膜）对信号的衰减，并且方便脑成像操作以及实现荧光等多模态脑成像；另外，可以充分利用透明换能器体积小、重量轻的优势，实现头戴、贴片等可穿戴成像应用。
本文原文来自中国科学院深圳先进技术研究院