高性能光纤超声传感器及光声内窥成像研究

Catheter-based intravascular imaging modalities have been developed for diagnostics pathology in coronary arteries, gastroenterology pulmonology and urology.Catheter-based intravascular photoacoustic (IVPA) imaging provides a minimally invasive modality for functional imaging in internal organs, and quantifying the amount of lipid at the arterial wall. Unlike Intravascular ultrasound (IVUS) imaging or OCT, the IVPA can provide both chemical selectivity and deep imaging depth. However, the poor sensitivity of conventional small-sized piezoelectric transducers poses several constraints on this modality, result in poor image quality. To solve this problem, this project proposes to develop a novel high-sensitivity, miniature fiber laser ultrasound sensor to build an all-fiber IVPA catheter probe.The project include the following researches:(1) Ultrasound sensitivity enhancement, by optimizing the overlap between the sensitive region of the fiber laser sensor and acoustic interaction length. (2) Study on the noise mechanism in the ultrasound detection system, as well as noise suppression to realize minimal detectable acoustic pressure at 1 Pa over 50 MHz. (3) Study on the implementation of all-fiber photoacoustic probe which incorporates the capability of ultrasound excitation and detection. By solving the above problems, we will realize IVPA endoscopy with high-sensitivity, compact device size, as well as the resistance to environmental perturbations.

内窥成像在消化道、呼吸道、泌尿及血液循环系统的疾病诊断中具有不可替代的作用。现有内窥技术成像穿透深度不足，且难以进行功能成像，需要发展新型的光声内窥成像技术。已有光声内窥成像系统多采用压电传感器对光致超声信号进行拾取，但微型压电探头超声检测能力较差，使成像质量受到限制。为解决这一难题，本项目提出研究能够兼顾小巧尺寸及高灵敏度的光纤激光超声传感器，并以该传感器作为核心器件实现全光纤内窥成像。项目围绕以下三个方面进行研究：（1）研究制备光纤传感器灵敏区域与超声有效作用区域能够高效匹配的光纤激光敏感基元，实现超声检测灵敏度的显著提升。（2）研究超声检测系统各环节的噪声机理，并提出有针对性的降噪方法，力争实现50MHz带宽下1Pa量级的声压检测精度。（3）研究制备集超声激发与检测于一体的高性能全光纤光声内窥探头，最终实现尺寸小巧、灵敏度高、兼具抗复杂环境干扰能力的全光纤光声内窥成像技术。

光声成像通过探测由激光脉冲在生物体内激发出的超声波，重建体内血红蛋白、脂肪斑块等吸收物质的空间分布，从而为医学研究与疾病诊断提供重要的影像学依据。光声成像技术融合了超声成像的高穿透深度和光学成像的高对比度特点，能够发现直径1 mm甚至更小的结构异常或病灶细节，这对于肿瘤等重大疾病的早期诊断具有重要意义。传统光声成像技术采用压电超声换能器对光致超声波进行探测，受限于其灵敏度与尺寸间的制约关系，小型化光声显微镜，特别是内窥镜的成像能力严重不足。.针对这一问题，本项目提出以双频光纤激光器为超声敏感元件，实现高灵敏度的超声探测，搭配光纤元件制作的光声内窥镜，进而实现新型全光纤光声内窥成像技术，解决光声成像的内窥镜的难点。本项目围绕双频激光器超声探测灵敏度提升，噪声分析与抑制，构建内窥成像探头以及成像等几个方面展开研究。主要成果包括：（1）提出光纤激光超声传感器噪声抑制与超声响应放大机制，实现了高灵敏度光纤超声传感器，在50 MHz带宽下噪声等效声压达到8 Pa（RMS值，或6σ噪声等效值45 Pa），平均声压探测精度1.5 mPa·Hz-1/2，比标定用针式超声水听器的灵敏度高出两个量级，与当前文献报道的最灵敏的光学超声传感器相接近。（2）基于光纤超声传感器实现了全光纤光声成像技术，对活体组织进行内窥成像、头戴式脑成像和氧代谢功能成像。（3）针对微流控对液流样品探测的灵敏度和空间分辨率需求，提出主动式光纤光声传感器，基于该技术，对微流控通道中的浓度扩散过程进行了高时间/空间分辨率的在线监测，空间分辨率10微米，测量帧速率50 Hz，探测精度0.1 MRayl。.在本项目支持下，项目组在Nature Communications等期刊上发表SCI收录论文9篇，申请国家专利2项目。在学术会议、高校或科研院所做本项目研究内容方面的报告5次，其中在国内外会议获奖4次。期间培养研究生7名。