用光声的方法产生能用于医疗3

1、Optoacoustic generation of high frequency sound for 3-Dultrasonic imaging in medicine （用 光声 的方法产生能用于医疗 3-D 超声成像的高频超声）简介：在诊断学的应用上，对超声的帧率和分辨率都有很高的要求，而通过传统的压电的方法很难生产能产生高于20MHz的超声的二维阵列。一种有希望的取代的方法就是用光去实现超声的产生和检测，光声的 方法克服了压电方法很多困难，尤其是材料的切割和材料之间的相互 连接。本文就主要研究了多聚合物薄膜和二维的纳米结构两种材料。 聚合物薄膜原理：将激光束打到光吸收材料上面，材料吸收的能量会迅速地对底物的某 一个区域进行加热，从而可以产生一个声波。理想的热弹性材料所产 生的声谱和输入的光脉冲对时间的导数是成比例的，这样就可以通过 控制输入光来产生一个宽频带的超声信号。原有材料的弊端之前的研究已经显示用炭黑与 PDMS 的混合物制成的薄膜相比金属薄膜可以将材料的转化效率提高10倍。混合物薄膜的厚度为25“m, 而真正用于吸收光的厚度只有l“m,这也就意味着有超过20“m的厚 度

2、没有用于生成超声而只是使超声发生衰减。新型的材料制备由于 PDMS 是透明的多聚物树脂，因此需要加入光吸收材料。在之前 的制备中，采用的方式是将PDMS、炭黑和甲苯悬涂在玻璃底物上。 为了得到更薄的薄膜，需要将炭黑与甲苯更充分地混合，因此需要更 高的悬涂速度。有着更大的颗粒直径和高结构性（增加了油的吸收） 的炭黑能更好地与 PDMS 混合。甲苯虽然能降低混合物的黏度却不 利于PDMS与炭黑的混合，因此在新的薄膜的制备中没有加入甲苯。新的制备方法中，将PDMS和炭黑（45nm的颗粒大小）按6:1的比 例混合，并以5000 r/min的速率进行悬涂2min,然后在100C下放置 1小时，最后测量出的薄膜的厚度为11“m。实验装置将 PDMS 薄膜放在一个小水箱的水面上，通过玻璃底物将一束光脉 冲聚焦到薄膜上。激光源选用一个商业的固体激光发射器，将激光束 一次通过多模态光纤、中性密度光纤减弱激光能量，将脉冲的能量减 弱到500nJ。超声会被至于水底的球状换能器检测到，换能器的焦距 为4.1mm,而换能器离薄膜的距离也正好是4.1mm,待收集到了超声 后再将它放大 30dB。实验结果新制成的薄

3、膜的转化效率是之前的薄膜的效率的lldB，并且在光谱 图中，高频成分的强度要更大，在60MHz的6dB带宽成分占80% （图 1）。1020-30 -1 II1I02040608010Frequency (MHz)SOThue (ns)New Sample503 DO350Time (iis)Old Sample在高信燥比的高频实时成像技术中，对声波的功率由很高要求。在对 信号的功率进行测试时，将光脉冲的能量从500nJ开始增加，在功率 小于50“J时，声波的功率都随光的功率线性变化，光的功率的阈值 为150叭当用功率为50“J的光脉冲去达到一个25“m的一个光斑上时，在距 离薄膜10mm的地方检测到的声压是800kPa。这样，估算出的薄膜 处的压力为600MPa,这个值已足以用于超声显微应用。在这些功率 范围内，超声的转换效率也很高，为 1.7%，而在之前的一些低功率的 测试中转化效率只有大约 10-6。二维纳米材料超声换能器原理由于PDMS-炭黑混合物非常粘稠，不能用现有的悬涂技术进一步降 低厚度，因此考虑用其他的材料来代替炭黑。而金是一种高效的光吸 收材料，表面的等离激源能强烈地

4、吸收共振波段的光。材料的制备首先通过激光干涉技术生成一维的SiO2印章（200nm厚的条形光栅 图像），接着在光栅图像的基础上制造出二维的纳米矩形阵列（在Si 晶片上制造出高度为200nm周期为220nm的柱状SiO2）。将SiO?模 具印盖在200nm厚的聚合物薄膜上，这样就能产生一个200nm厚的 每220nm就有空洞的聚合物阵列，每个洞高200nm，长128nm宽 110nm,用电子蒸发器在多聚物的表面沉积20nm厚的金层。将混合 物放在丙酮中进行溶解，除掉表面的多聚物和多聚物表面的金层，再 将PDMS和甲苯的混合物悬涂在纳米金的表面,这样就制成了材料。实验检验实验装置与上面的装置基本上相同，所使用的光的波长为700nm （金 的共振波长），每个脉冲能量是100nJ。图2就显示出取1000次的平 均值后的信号图像。GJSi(op)upnlnl 卤 E 2 出306090Precjnency (MHz)o-2-1200SOllitt15020&Timo (iis)结果显示，虽然金纳米结构无法像黑色的PDMS那样吸收所有的光， 但因为降低了薄膜的厚度，减小了光的衰减，得到的光的强度还

5、是有 所增加。通过光纳米结构得到的光谱可以发现在高频超声部分的强度有了明 显的增加，这也再次证明了高频超声在PDMS中衰减得更快。声音的功率与光脉冲的功率呈线性关系，但对于金纳米结构来说，产 生的声波的强度还与光谱成分有关。对于黑PDMS薄膜则不存在，因 为材料可以吸收所有的光的能量。综合的转换-接受超声换能器原理：金纳米结构有着非常高的消光比，这也就意味着对于波长接近共振波长的光的能量可以直接被转换成超声，而远离共振波长的光的能量则 会被传输（光被反射）。因此，可以在金纳米结构上放置一个标准具， 这样，被最大程度吸收的光就会被转化成超声，而被较少吸收的光可 以被用于检测，理想情况就是前者100%被转化成超声，而后者被 100% 传输。实验检验在金纳米结构上放置一个5.9“m厚的标准具，用一个无限的平面作为 反射面进行脉冲回荡实验。用一个波长为600“m、持续时间为6ns的 激光脉冲打在金纳米结构的一个400“m的一个点上，在水面产生的 超声通过玻璃载玻片被反射，玻璃片距离标准具6mm。探测光束被 聚焦到标准具表面的一个40“m的点上，反射的光被透镜收集、再通 过光电二极管进行放大。实验结果脉冲反射波和响应的光谱如图三所示。信号的信噪比超过了 20dB, 因为声压会随着光脉冲的能量线性变化，因此信噪比可以通过用更高 能量的光来大幅提高。信号的中心频率为 15MHz，-6dB 的频带宽 为 110%，之所以中心频率不如之前的实验是因为激光束的聚焦点的 大小为400“m，比之前要大。亠= =3uv0-0.01-斜啊StiOQTuir (ijs)rou云匸二三HrvnJMH頁亠40?0D102U30rreqiietiey 山Ulz、总结金纳米结构的特性证明我们可以把它和标准具集成在一起，这样得到 的反射波有很好的信噪比，并且能进一步进行提高。虽然现在的中心 频率不高，但通过改进光学系统有希望能将中心频率提高到50MHz。 这些研究表明这样的集成装置可以想高频生物成像里面的全光换能 器一样工作。干涉光刻技术：两个及以上的相干光波构成的一个干涉图样 被建立起来并在一个记录层被记录（光刻胶）。这个干涉图样 由周期性序列的条纹组成，这些条纹分别代表最大强度及最 小强度。在曝光后的光刻处理过程中，与此强度周期性变化 图样相对应的光刻胶图样就此出现。

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