研究人員發(fā)現(xiàn)熱環(huán)通過(guò)微波無(wú)線產(chǎn)生超聲波脈沖

超聲成像是現(xiàn)代醫(yī)院的主要力量之一。它達(dá)到了相對(duì)便宜、便攜、無(wú)創(chuàng)的三重效果。能夠讓未來(lái)的父母對(duì)胎兒形象產(chǎn)生情感也是一種令人欽佩的特權(quán)。

但是超聲成像確實(shí)有其局限性。與光學(xué)波長(zhǎng)相比，它的分辨率通常受到聲波波長(zhǎng)的限制，聲波波長(zhǎng)相當(dāng)長(zhǎng)。聲學(xué)換能器的局限性進(jìn)一步加劇了這些問(wèn)題：它們通常針對(duì)小音頻范圍進(jìn)行優(yōu)化，這限制了飛行時(shí)間類型測(cè)量的分辨率。然后就是讓聲波進(jìn)出人體的問(wèn)題。與人體空氣(或強(qiáng)麥克風(fēng))聲學(xué)特性的巨大不匹配會(huì)造成巨大損失。為了克服這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家和工程師提出了一些創(chuàng)造性的解決方案，例如將患者部分浸入浴缸中以改善聲學(xué)匹配。能夠?qū)⒙曉捶胖迷谏眢w上具有良好聲學(xué)匹配的任何地方將避免這些問(wèn)題。

蘭和他的同事在同行評(píng)議的開(kāi)放存取期刊《高級(jí)光子學(xué)》上報(bào)道，他們開(kāi)發(fā)了一種可以被微波有效激發(fā)的無(wú)線超聲波換能器。因此，一個(gè)簡(jiǎn)單的充油貼片可以放在身體的任何地方。沒(méi)有電池，電線或浴缸。

該回路產(chǎn)生良好的振動(dòng)。

基本原理是利用微波吸收產(chǎn)生聲波。微波是高分辨率低成像深度光聲成像和傳統(tǒng)超聲成像的完美結(jié)合。與光學(xué)系統(tǒng)相比，微波導(dǎo)致分辨率較低，但散射要低得多，因此激發(fā)深度不再是問(wèn)題。但是人體對(duì)微波的吸收也很低，所以產(chǎn)生的聲波非常微弱。

吸收的功率與微波的振幅成正比。高振幅微波會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的聲波。不幸的是，你可能會(huì)無(wú)意中把要成像的人給煮了。為了避免意外烹飪，微波爐應(yīng)該集中在需要的地方。這是蘭及其同事開(kāi)發(fā)的設(shè)備的功能。

這種技術(shù)取決于開(kāi)口環(huán)形諧振器的特性。開(kāi)環(huán)諧振器是一個(gè)斷開(kāi)的線環(huán)。當(dāng)暴露在微波下時(shí)，電流在環(huán)中流動(dòng)。然而，由于回路不完整，電荷會(huì)在間隙處“積聚”，從而在導(dǎo)線兩端之間產(chǎn)生較大的電壓。如此大的振蕩電壓意味著只有間隙中吸收的功率高，并且可以有效地產(chǎn)生熱彈性感應(yīng)聲波。

現(xiàn)在，諧振器意味著它在特定的輻射頻率下效率最高。開(kāi)環(huán)諧振器也不例外：諧振頻率由線環(huán)的直徑及其所處的介質(zhì)控制。蘭和他的同事選擇了一個(gè)直徑約13毫米，在空氣中2.3千兆赫共振，在石油中2.5千兆赫共振。然而，更重要的特征是諧振器的帶寬。在這里，研究人員面臨一個(gè)選擇。為了增加吸收的功率量，具有非常窄帶寬的諧振器是有益的。然而，為了產(chǎn)生非常短的聲音脈沖，帶寬需要非常寬。最后，研究人員獲得了帶寬約為200兆赫的開(kāi)口環(huán)形諧振器，約為傳統(tǒng)壓電換能器的10-20倍。

共形無(wú)線諧振

通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明了開(kāi)口環(huán)諧振器的靈活性，表明它可以通過(guò)激發(fā)微波脈沖產(chǎn)生超聲頻率的混合。產(chǎn)生高達(dá)約2.5兆赫的音頻，但是基于開(kāi)口環(huán)形諧振器的諧振寬度，可以產(chǎn)生更高的頻率。

也許最大的優(yōu)點(diǎn)是諧振器只是一個(gè)銅環(huán)。通過(guò)將戒指放置在一個(gè)填充了一些油的塑料外殼中(油吸收微波并匹配人體的聲學(xué)特性)，戒指可以放置在人體的任何地方并被遠(yuǎn)程激發(fā)。研究人員用乳房錯(cuò)覺(jué)證明了這一點(diǎn)。將戒指放在乳房下，測(cè)試裝置放在頂部。無(wú)線激發(fā)的超聲波信號(hào)非常強(qiáng)，研究人員表明，獲得超聲波信號(hào)所需的平均功率低至10mW。

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