北京大学工学院李长辉课题组提出超声探测新方法

近日，北京大学工学院生物医学工程系李长辉课题组提出了纯光学的超声探测新方法，并成功地基于该方法实现了活体动物高分辨率光声成像。相关结果发表在光学领域著名期刊《光学快报》上【X. Zhu, et. al., Optics Letters 42, 439-441（2017）】。

对于超声成像和新兴的光声成像技术来说，高带宽、小尺寸和高灵敏度的探测器是一直受到强烈需求的。尽管各式各样基于压电材料的超声换能器已经广泛应用于商业市场，但是这些换能器通常受带宽限制（带宽只集中在压电材料的共振频率处），而且随着换能器尺寸变小，其电磁噪声会显著增大。因此，各种各样大带宽小尺寸的纯光学超声探头越来越受人们关注。然而，大多数高灵敏度的纯光学探测方法都需要订制某些部件（如微环和法伯腔等），这些部件技术工艺复杂，限制了该方法的广泛推广。
 

由于超声波的声压能改变介质折射率，使从界面反射的光受调制，通过探测超声调制的反射光强度是实现光学探测超声的最简单方法之一。然而由于激光自身不稳定性、环境噪声以及探头的电磁噪声，这种方法灵敏度局限在1bar（106Pa）量级，阻碍了其在生物医学上的应用。
 

李长辉课题组提出了“基于偏振光反射的探测方法（PRUD）”（如下图），其原理是探测在透明棱镜内表面反射的同一束光两种偏振态成分的光强差。PRUD应用平衡探测的方法能够抑制大量的共模噪声，大幅度提升系统灵敏度。目前已经能探测到的噪声等效压强为1.7kPa，这个值还能进一步改进。此外，PRUD从0到100多兆赫兹有一个平且宽的带宽响应。他们已经用这个探测方法成功实现了活体小鼠耳朵的无创光声显微成像。这个方法如此简单（不需要任何特殊光学加工，也不需要任何镀膜），可以很容易应用到大多数光学试验室中。这项工作将吸引光学和超声领域的科研工作者和工程师们。下一步，李长辉课题组将进一步提高系统灵敏度和稳定性，并将其与其他模态相结合。

PRUD原理结构图

李长辉特聘研究员的课题组（http://bme.pku.edu.cn/otlab）致力于生物医学光学新型成像技术的研发和应用，主要研究方向包括：光声层析成像、荧光分子层析成像、和多模态分子医学成像。

 
利用PRUD进行的小鼠耳朵三维成像