光纤宽带超声波探头对虚拟切片:技术解决方案

文摘

超声波探头是利用开发的,在一起,光声和声光设备基于光纤技术。内在的高频率和宽的带宽opto-acoustic源和声光相关接收元素可以打开一个对生物组织的“虚拟切片”。Micro-Opto-Mechanical-System(妈妈)方法,提出了实现宽带超声波探头在硅微型机械框架适合安装在光纤的提示。

1。介绍

在回波描记术的临床应用进展要求微型超声探头和宽的带宽。宽带超声导致改善空间分辨率;此外,它允许回波信号的频谱分析,导致有效技术在临床诊断(1]。然而,这种技术的诊断能力强烈依赖于可用超声波带宽区分媒体,由于其频率选择交互。

我们小组提出了超声源的设计与实现基于光声效应在1996年,有一个金属层在光纤末端吸收目标(2]。2001年我们改善,约两个数量级,取代金属吸收的光声转换目标与一个石墨(3,4]。

其他配置开发基于这个原则:利用石墨粉分散在高分子材料、其他需要使用纳米材料与黄金蘸聚合物矩阵(5]。这个解决方案提出的优势进一步扩大乐队,但是有一个复杂的实现和需要使用脉冲激光光的来源,因为它表现出一个狭小的范围内光的吸收。这意味着一个非常复杂和昂贵的技术。

传输元素,描绘在图1,由光纤构成的提示一个吸收层是罢免;弹性超声代(拉)发生时,激光脉冲冲击吸收层和诱导热膨胀产生的机械冲击波。

两年后,在2003年,我们提出了一个完整的超声波探头通过添加接收元素,基于光纤(6]。几种超声波接收方法在文献中提出了采用光学干涉法。几乎所有使用光纤传输光的辐射,但不同的解调方法。在某些案例中,解调进行下游的光纤,通过复杂的干涉仪7]。

然而,在所谓的干涉外在接收器,超声波信号的解调反射光强度的变化是直接从执行结构实现的光纤。中提出的各种解调结构,一些传导敏感度较低8),而那些使用高分子材料声阻抗接近水的显示与古典的比较敏感的PVDF水听器(9]。尤其是这些解决方案的优点是,大可用声带宽(10]。

接收元素是由一个外在光纤水听器,基于法布里-珀罗干涉仪,如图2。连续波激光发射在纤维。设备是这样工作的:一个压力波,撞击干涉仪,其厚度调节。这种厚度的改变产生的修改干涉仪反射率,定义为反映之间的比例和入射光功率,从而诱发的变化由光电二极管检测到的光强度。

拟定调查,完全基于光纤技术,强大的小型化,使其适用于血管内,内腔,经皮应用程序。这种探针可能能够跟踪朝着“虚拟切片”;事实上,这些宽带超声光纤探针可以放置在附近的局部病变导管或针(11]。

2006年,第一个超声图像得到一个全光纤超声波探头了(5]。在本文中,我们目前的技术开发工作的一些初步结果的实现小型化宽带超声源和探测器基于Micro-Opto-Mechanical(妈妈)制造技术。

2。技术解决方案

2.1。目标

本研究的最终目标是描绘在图3。在这两种设备,微型机械硅妈妈(微光电子机械系统)用于允许住房光纤接近光学层用于超声波发射和检测。传输元素,碳膜具有高的光学吸收沉积和有图案的妈妈上表面。接收器,一个平面法布里-珀罗干涉仪实现介电膜(SiO₂/如果₃N₄),在硅衬底上,背面腐蚀。干涉仪是由聚合物间隔与弹性模量较低,因此,其厚度可以通过传入超声调制波。通过使用光纤驱动连续激光干涉仪,反射光的强度调制的光干涉效应具有相同振幅谱的传入的超声波。

2.2。实验

进行了一些初步的实验为了定义合适的技术来获取层有效光声发射和声光探测与photostructurable平面基板材料,容易与光刻技术模式。

碳层,光致抗蚀剂碳化硅制造技术,已被调查使用OIR 908 - 35积极从富士胶片光刻胶。

工艺流程,报告在图4已经意识到一些原型样品。

从500年开始μ米厚的的硅基质,进行了热氧化一步在1000°C在潮湿的环境中,产生约500纳米厚二氧化硅层两边的晶片(步骤2)。这一层被用作后续面具硅微加工(步骤4),与缓冲背后模式和蚀刻后氧化腐蚀(央行、步骤3)。这样,方形硅膜厚度约200μm和面积毫米²取得了在晶片上。后删除SiO₂面具,OIR 908 - 35光刻胶被驾驭的晶片正面3000 rpm,收益率约4μ米厚膜。抵制层随后碳化了的退火步骤执行在氩气氛750°C 30分钟。相同的过程,碳层也已经意识到在双面抛光晶片(见光学测量部分3)。

横截面扫描电子显微镜(SEM)图像获得的碳层硅的过程描述和一个玩具小汽车硅的光学图像帧图5。它可以观察到,碳化后获得的碳层大概是1μ米厚,由于体积收缩的开始抵制层。

探测器,消极抵抗SU-8选择制造聚合物垫片。初步测试,平面法布里-珀罗干涉仪具有不同厚度的垫片和薄的金属膜已经意识到在熔融石英基质(纯SiO₂根据图的流程)6。熔融石英一直选择模仿SiO的光学特性₂/如果₃N₄膜在探测器预计将通过。铝被蒸发沉积,实现薄和厚的金属层干涉仪。厚层50 nm厚的,而两个厚度最薄的一个测试(5和10海里)。SU-8被旋转,沉积在5μ米和10μ米厚层,通过不同的旋转速度。抵制层暴露在紫外线和努力在200°C烤5分钟前在电炉沉淀最后层(50 nm)。

3所示。测量

碳层硅和石英受到的法布里-珀罗干涉仪光学和声学特征。结果报道在第二部分。

3.1。光学特性

获得的碳层的光学透过率在500年双面抛光μ米厚的硅基质的那些时光5700年被测量与Nicolet傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪和较纯硅晶片(图之一7)。

测量显示了明显降低硅片的透光率在近红外范围内由于存在大量吸收碳膜。

法布里-珀罗干涉仪的反射率也意识到对熔融石英光学和红外测量范围。在图8,结果光学特征对干涉仪进行近红外光谱范围内与不同厚度特征进行了总结。

显然,最好的光强度调制深度和因此,光学干涉仪的灵敏度最高的垫片厚度是获得SU-8厚度10μm 10 nm厚的铝层,85%的强度调制深度在1064 nm和37的最大斜率μ米¹。

3.2。声学特性

声场的纵切面,产生的光声发射器,利用PVDF膜收购水听器(马可尼699/1/00002/200)。

在图9六点,声场的大小过滤不同频率报告6到12毫米的距离传感器。colormap代表相同的所有六个照片级水平。减少级观察高频范围部分是由于水听器的频率响应(60 MHz截止)。

妈妈光纤探针的全球反应获得了彼此面对发射机和接收机元素和获得超声信号。在图10报告,探测器的光谱响应。

在图11重建50-eurocent硬币时,通过阐述超声波脉冲的飞行时间。这张照片是通过使用两个原型的母亲传输和元素。

4所示。结论

开发完成的挑战transmitting-receiving超声波换能器、完全基于光纤技术,是极其重要的定义新一代超声波探头。

高频率和大带宽与极端小型化来源于妈妈技术可以打开一个对“虚拟切片”,目的是研究和描述的可能性自然的生活和健康状况组织“原位”。

初步结果提出了碳膜的光声发射特性(厚度约1μ米),通过光刻胶碳化硅微型机械基质,对平面法布里-珀罗干涉仪的光学和声学的行为由薄金属层和负性胶SU-8熔融石英基质。

妈妈技术似乎适合符合以下要求的全光纤超声波探测器:生物相容性,可重复的和完全控制生产过程,生产低成本的设备。

引用

1. 大肠,l . Breschi s Granchi, l . Masotti“光谱分析方法和装置的回声信号,”美国专利号7 509 861,2009。视图:谷歌学术搜索
2. 大肠,s . Fontani f . Francini l . Masotti和m . Pieraccini“光声代:利用光纤传感器,”《IEEE超声学研讨会,2卷,第924 - 921页,1996年11月。视图:谷歌学术搜索
3. d Menichelli和e·比亚吉”,光声来源:实用绿色基于函数模型薄膜激光超声的一代,”光学杂志》上的一个,3卷,不。4,S23-S31, 2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. e, f . Margheri, d . Menichelli”高效的激光超声一代通过使用大量吸收电影为目标,“IEEE超声学,铁电体和频率控制,48卷,不。6,1669 - 1680年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. e, a . Acquafresca s Cerbai p . Gambacciani和l . Masotti“虚拟切片,全光纤超声波探测器”《IEEE超声学研讨会,第559 - 556页,2006年。视图:谷歌学术搜索
6. l . Masotti e, f . Margheri, d . Menichelli”Opto-acoustic的超声波发生器通过光纤激光能量供应,”美国专利号6 519 376,2003。视图:谷歌学术搜索
7. 侯y . js。金,美国德系,m . O ' donnell和l . j .郭”光代使用二维高频超声金纳米结构,”应用物理快报,卷89,不。9日,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. c·科赫”测量超声波通过纤维尖头外差干涉测量传感器的压力,”应用光学,38卷,不。13日,2812 - 2819年,1999页。视图:谷歌学术搜索
9. c·科赫”,为超声测量涂层光纤水听器,”超声学,34卷,不。6,687 - 689年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. p c .胡子,a . Hurrell e··范·德·艾尔曾和t·n·米尔斯,”比较,超声波的微型光纤水听器与PVDF水听器技术,”《国际超声学研讨会1998年10月,页1881 - 1884。视图:谷歌学术搜索
11. a . Acquafresca e·比亚吉、l . Masotti和d . Menichelli”向虚拟切片通过光纤超声波微型传感器:一个提议,“IEEE超声学,铁电体和频率控制,50卷,不。10日,1325 - 1335年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2010 e·比亚吉等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。