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(duì)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(kāi)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(bào)道。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院沈樂(lè)成副教授、李朝暉教授團(tuán)隊(duì)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(jìng)順和李強(qiáng)，共同通訊作者為沈樂(lè)成副教授和李朝暉教授。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員使用含有15個(gè)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(gè)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(guò)合成數(shù)字光學(xué)頻率梳（DOFC），研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一種對(duì)該傳感器陣列進(jìn)行并行詢問(wèn)的有效方法。作為概念驗(yàn)證，僅使用一個(gè)光源和一個(gè)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(wèn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)快速移動(dòng)的物體、葉脈和活體斑馬魚(yú)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(shí)現(xiàn)的并行詢問(wèn)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(gè)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(gè)都占據(jù)大約0.85μm ×? 40?μm × ?40?μm的有效區(qū)域?。通過(guò)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(qiáng)度分布，表現(xiàn)出良好的模式約束。出于實(shí)際考慮，研究人員在一個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖4（a）所示。圖4（b）繪制了零值情況下測(cè)得的透射光譜隨時(shí)間的變化。當(dāng)激光誘導(dǎo)的超聲波信號(hào)對(duì)這些微環(huán)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，圖4（c）描繪了測(cè)量的透射光譜與時(shí)間的關(guān)系。重建后的超聲信號(hào)作為每個(gè)微環(huán)傳感器的時(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)置和工作原理

研究人員首先在快速運(yùn)動(dòng)物體成像上實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器陣列的并行詢問(wèn)。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(gè)快速移動(dòng)的熱點(diǎn)。該熱點(diǎn)的直徑約為100μm，能量為1nJ，沿“8”形軌跡運(yùn)動(dòng)。DOFC可以同時(shí)對(duì)所有微環(huán)傳感器的光聲信號(hào)進(jìn)行并行詢問(wèn)，并使用通用反投影（UBP）來(lái)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(shí)間窗口內(nèi)只選取了8張代表性圖像來(lái)顯示圖5（a）中所創(chuàng)建的熱點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

除了對(duì)虛擬熱點(diǎn)進(jìn)行成像外，研究人員還演示了對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)間間隔重建的圖像如圖5（b）所示，具有并行詢問(wèn)的微環(huán)傳感器陣列對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)快速運(yùn)動(dòng)物體成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究人員進(jìn)一步將具有并行詢問(wèn)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(gè)方向上呈現(xiàn)出清晰的葉脈結(jié)構(gòu)。作為對(duì)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(duì)比度。這些結(jié)果證實(shí)了微環(huán)傳感器陣列的性能優(yōu)于單個(gè)微環(huán)傳感器。

圖6 微環(huán)傳感器陣列對(duì)生物樣本成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究人員還通過(guò)對(duì)微環(huán)傳感器陣列使用DOFC實(shí)現(xiàn)的并行詢問(wèn)對(duì)處于不同生長(zhǎng)階段的活體斑馬魚(yú)進(jìn)行了光聲層析成像。對(duì)于3個(gè)月大的成年斑馬魚(yú)，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(duì)受精后7天和20天的較小斑馬魚(yú)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(shí)了微環(huán)傳感器陣列和DOFC實(shí)現(xiàn)的并行詢問(wèn)對(duì)活體光聲層析成像的可行性和有效性。

綜上所述，本研究報(bào)道了一種集成15個(gè)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(bào)道的最先進(jìn)的光學(xué)超聲傳感器相當(dāng)。研究人員還開(kāi)發(fā)了一種僅使用一對(duì)光源-探測(cè)器并行詢問(wèn)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(kāi)發(fā)的并行詢問(wèn)方法可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)置，同時(shí)加快數(shù)據(jù)采集過(guò)程。這種簡(jiǎn)化對(duì)于開(kāi)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(jià)值，因?yàn)檫@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(wèn)的方式消除了同步每個(gè)元件測(cè)量的信號(hào)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(guò)程。憑借這些優(yōu)勢(shì)，研究人員還提供了對(duì)快速移動(dòng)的物體和不同生長(zhǎng)階段的活體斑馬魚(yú)進(jìn)行成像的演示。這項(xiàng)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(wèn)，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