基于微纳光纤光栅Fabry-Perot高阶干涉型超声传感器的生物医学光声成像研究

Biomedical Optoacoustic imaging technology, one of the newest imaging approaches, has received great interests since it presents the advantages of high contrast and high penetration depth. This approach, based on the optoacoustic effect and the detection of ultrasonic signals, has developed as a highly effective non destructive means for biomedical imaging. Ultrasonic signal detection is the key technology of photoacoustic imaging technology, the main challenge for this imaging technique lies in how to simultaneously realize high sensitivity, high contrast, and high spatial resolution. Conventiona methods relying piezo electrical sensors present relatively low sensitivities and narrow response bandwidth., which is not conducive to the realization of high resolution imaging. The project put forward a kind of new sensing element, microfiber Bragg grating Fabry Perot interference higher-order type ultrasonic sensor, through the high order mode interference can be more effective implementation of external environment refraction rate of change of the sensing capability, higher order modes of a comprehensive interpretation of the ultrasonic sensing mechanism, clearly affect the decisive factor of the sensor sensitivity, the better to achieve high sensitivity of ultrasonic testing requirements. At the same time, the effects on photoacoustic imaging spatial resolution of an important parameter is the sensor's section diameter, the smaller diameter of microfiber can better realize photoacoustic imaging with high spatial resolution requirements, eventually reaching the photoacoustic imaging method with high spatial resolution and high detection precision.

生物医学光声成像是基于光声效应、以超声信号检测为物理手段的新型成像方法，同时结合了光学成像的高对比度优势和超声成像的高穿透深度特性。超声信号检测是光声成像技术中的关键技术环节，如何实现具有高探测精度、高对比度、高空间分辨率的光声成像手段成为研究人员的共同目标。传统采用压电式传感器进行超声信号探测，其灵敏度相对较低，响应带宽窄，不利于实现高分辨率成像。本项目提出一种新型的传感基元—“微纳光纤光栅Fabry-Perot高阶干涉型超声传感器”，通过其高阶模式干涉可以更为有效的实现对外部环境折射率变化的感测能力，全面阐释超声传感中高阶模式的作用机制，明确影响传感灵敏度的决定性因素，更好的实现超声检测的高灵敏度要求。同时，影响光声成像空间分辨率的一个重要参数就是传感器的截面直径尺寸，较小直径的微纳光纤能更好地实现光声成像的高空间分辨率要求，最终达到高探测精度、高空间分辨率的光声成像方法。

微纳光纤超声传感器融合了传统的超声检测与新兴的生物传感技术，将超声信号检测推向了光声成像的研究领域。光声成像作为生物医学成像中的重中之重，反映和引导着临床医学在诊治以及随诊方面的进步。 超声信号检测是光声成像技术中的关键技术环节，如何实现具有高探测精度、高对比度、高空间分辨率的光声成像手段成为研究的关键难题。针对上述问题，本项目提出采用微纳光纤光栅Fabry-Perot高阶干涉型超声传感器，通过其多元检测能力，全面阐释微纳光纤超声传感中的各因素变化的作用机制，明确影响传感灵敏度的决定性因素。最后通过高阶参数设计与优化方法实现具高性能的微纳光纤光栅Fabry-Perot高阶干涉型传感器，为生物医学光声成像的应用提供完整的科学方案。 本项目围绕微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉仪的形成机理与传感特性，响应机理与增敏研究， 生物医学光声成像实现等几个关键问题展开研究。 1. 研究了微纳光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的光传导特性和模式耦合机理，针对超声检测中的参量，构建新型波导模型，揭示了其在大比例倏逝场作用下模式折射率的主导作用。针对器件特点优选多模光纤进行刻写，有效地设计制作了微纳光纤光栅Fabry-Perot高阶干涉仪，使其同时具备高光敏性与传感响应特性。 2. 研究了微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉型超声传感器的响应机理与增敏方法，建立了干涉光相位与超声压的关系方程，揭示了影响传感灵敏度的决定因素。通过光纤直径、光栅反射率以及透射谱线精细度等各方面参数的进一步优化，设计出微纳光纤光栅Fabry-Pero高阶t干涉型超声传感器的增敏方法，实现了具有高灵敏度（比单模光纤超声传感器高一个量级）性能超声传感器 。3. 分析了生物医学光声成像中影响空间分辨率的决定性因素，有效量化光纤直径和高阶干涉模式的作用程度，匹配出适合微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉型超声传感器应用条件的成像系统，实现了具有高检测灵敏度、高空间分辨率的的小物体光声成像，为微纳光纤光栅Fabry-Perot高阶干涉型超声传感器的光声成像提供出完善的系统研究方法。最后，以本项目研究为指导，实现了对人体毛发（直径为98μm）的光声成像，检测灵敏度为普通光纤光栅Fabry-Perot干涉型超声传感器的10倍，空间分辨率达到300μm，满足对生物医学光声成像的诊断需求。