成像技術(shù)在納米尺度動(dòng)力學(xué)、生物器官和細(xì)胞研究、醫(yī)學(xué)診斷和水下探測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其可以提供物體復(fù)雜形狀和狀態(tài)的詳細(xì)信息。然而，對(duì)隱藏在幾乎無(wú)法穿透的金屬屏障下的物體進(jìn)行超聲成像仍然是一個(gè)難題。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院（Korea Research Institute of Standards and Science，KRISS）和首爾國(guó)立大學(xué)（Seoul National University）的研究人員聯(lián)合在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Ultrasonic barrier-through imaging by Fabry-Perot resonance-tailoring panel”的文章，展示了在高阻抗失配金屬屏障后面水中物體的超聲成像結(jié)果。利用法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）共振現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)通過屏障的完全透射。與傳統(tǒng)的FP共振不同，研究人員引入了一個(gè)額外的元件——FP共振剪裁面板（RTP），位于可控距離處，通過調(diào)整面板和屏障之間的多次散射，實(shí)現(xiàn)了通過屏障的完全透射。
研究人員展示了水下船只內(nèi)超聲波檢測(cè)的示意圖，并在概念上比較了使用和不使用FP RTP時(shí)通過金屬船體壁的超聲波成像。與水相比，金屬壁具有高對(duì)比阻抗。如果沒有RTP，來(lái)自船體內(nèi)部物體的反射信號(hào)實(shí)際上不攜帶目標(biāo)物體的信息。研究人員的高質(zhì)量成像方法利用了任何期望頻率下的FP共振現(xiàn)象，這與固有的FP共振頻率不同。研究人員設(shè)計(jì)了一種特定材料和厚度的RTP，用于通過屏障成像，并將其放置在屏障前方的可控距離處。這允許在任何期望的頻率下，通過由RTP、水隙和屏障組成的系統(tǒng)進(jìn)行幾乎完全的透射。
通過幾乎不可穿透的屏障進(jìn)行超聲成像以及RTP的概念
在這項(xiàng)研究中，演示了使用RTP通過屏障的超聲成像。研究人員特別專注于識(shí)別物體的復(fù)雜形狀。為了提高透射率，研究人員設(shè)計(jì)了一種以不銹鋼為基材的RTP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該RTP在500 kHz時(shí)實(shí)現(xiàn)了完全透射。
500 kHz下水中的超聲成像實(shí)驗(yàn)
通過不可穿透屏障的超聲波束傳輸是RTP的有前途應(yīng)用之一，包括醫(yī)學(xué)和無(wú)損評(píng)估（NDE）領(lǐng)域。通過模擬證明了RTP在超聲波束通過屏障傳輸方面的有效性。
在500 kHz下，使用和不使用RTP時(shí)，通過1 mm厚鋼板屏障的超聲波束傳輸模擬
在這項(xiàng)研究中，對(duì)幾乎無(wú)法穿透的屏障后面的物體進(jìn)行超聲成像，例如通過沉船或人類頭骨的成像，這一問題仍未解決。研究人員對(duì)金屬屏障后物體的超聲成像技術(shù)可以為大腦或沉船內(nèi)部的非侵入性超聲成像鋪平道路。所提出的方法通過對(duì)隱藏在1 mm厚的鋼板屏障和4 mm厚的鋁板屏障后面的具有相對(duì)復(fù)雜形狀的水下物體的成功成像得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
在與屏障的FP共振頻率不同的頻率下，成功地完成了水中的屏障穿透成像。當(dāng)屏障的FP共振頻率較高時(shí)，波衰減會(huì)使該頻率下的屏障穿透成像變得困難。現(xiàn)在，如果利用所提出的RTP來(lái)降低成像頻率，則可以克服這些嚴(yán)重的限制。
然而，在將該策略用于實(shí)際應(yīng)用之前，必須解決某些科學(xué)和技術(shù)問題。首先，高分辨率超聲成像需要一種將目標(biāo)頻率調(diào)諧到2 MHz以上的方法，例如自動(dòng)精細(xì)間隙調(diào)諧方法。為了更好地進(jìn)行時(shí)間定位，應(yīng)該進(jìn)一步研究脈沖信號(hào)的屏障傳輸，而不是諧波；還必須開發(fā)一種不依賴于平面波假設(shè)的通用超聲成像方法。此外，還需要一種方法來(lái)抵消屏障的材料阻尼和不均勻性。盡管存在這些尚未解決的問題，但預(yù)計(jì)這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將成為通過幾乎不可穿透的屏障進(jìn)行超聲成像的新范式。
論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43675-4
延伸閱讀：
《微機(jī)械超聲換能器專利態(tài)勢(shì)分析-2023版》
《電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）期刊文獻(xiàn)檢索與分析-2022版》
