Echografie is een van de werkpaarden in een modern ziekenhuis. Het raakt de trifecta relatief goedkoop te zijn, draagbaar en niet-invasief. Toekomstige ouders een beetje emotioneel maken over foetusbeelden is ook een gewaardeerd voordeel.

Maar echografie heeft zijn beperkingen. De resolutie wordt vaak beperkt door de akoestische golflengte, die vrij lang is, vergeleken met optische golflengten. Dit wordt nog verergerd door de beperkingen van akoestische transducers:ze zijn doorgaans geoptimaliseerd voor een klein aantal akoestische frequenties, die de resolutie van time-of-flight type metingen beperkt. Dan is er de kwestie van het krijgen van geluidsgolven in en uit het lichaam. De grote mismatch tussen de akoestische eigenschappen van het menselijk lichaam en lucht (of een solide microfoon) kan voor grote verliezen zorgen. Om dit probleem op te lossen, wetenschappers en ingenieurs hebben nogal creatieve oplossingen bedacht, zoals het gedeeltelijk onderdompelen van de patiënt in een bad om de akoestische afstemming te verbeteren. Door akoestische bronnen overal op het lichaam te kunnen plaatsen met een goede akoestische afstemming, zouden deze problemen kunnen worden voorkomen. Maar de huidige technologie staat dat niet toe omdat de transducers een omvangrijke stroombron nodig hebben.

Lan en collega's, rapportage in het peer-reviewed open access tijdschrift Geavanceerde fotonica , hebben een draadloze ultrasone transducer ontwikkeld die efficiënt wordt geëxciteerd door microgolven. Het resultaat is een eenvoudige met olie gevulde pleister die overal op het lichaam kan worden geplaatst. Geen batterijen, geen draden, en geen bad.

Draadlus induceert goede trillingen

Het basisprincipe is gebaseerd op het gebruik van microgolfabsorptie om geluidsgolven te genereren. Microgolven zijn een uitstekend compromis tussen fotoakoestische beeldvorming, die een hoge resolutie maar een lage beelddiepte heeft, en traditionele echografie. Microgolven resulteren in een lagere resolutie in vergelijking met optische systemen, maar de verstrooiing is ook veel lager, dus excitatiediepte is niet langer een probleem. Maar, de absorptie van microgolven door het lichaam is ook erg laag, dus de gegenereerde geluidsgolven zijn erg zwak.

Het opgenomen vermogen is evenredig met de amplitude van de microgolven. Een microgolf met hoge amplitude zal een sterkere akoestische golf induceren. Het ongelukkige neveneffect is dat u per ongeluk de persoon kunt koken die u in beeld brengt. Om onbedoeld koken te voorkomen, de microgolven moeten worden geconcentreerd waar ze nodig zijn. Dit is wat het apparaat dat Lan en collega's hebben ontwikkeld doet.

De techniek is gebaseerd op de eigenschappen van de splitringresonator. Een splitringresonator is een draadlus die is verbroken. Bij blootstelling aan microgolven, er loopt een stroom door de ring. Maar, omdat de ring niet compleet is, de lading "stapelt zich op" bij de opening, het creëren van een grote spanning tussen de uiteinden van de draad. Deze grote oscillerende spanning betekent dat, gewoon in de kloof, het opgenomen vermogen is hoog, en thermo-elastisch geïnduceerde akoestische golven worden efficiënt geproduceerd.

Nutsvoorzieningen, een resonator houdt in dat deze het meest efficiënt is bij een bepaalde stralingsfrequentie. Splitringresonatoren zijn geen uitzondering:de resonantiefrequentie wordt bepaald door de diameter van de draadring en het medium waarin deze wordt geplaatst. Lan en collega's kozen voor een diameter van ongeveer 13 mm, die resoneert op ongeveer 2,3 GHz in de lucht, en 2,5 GHz in olie. Maar, het belangrijkste kenmerk is de bandbreedte van de resonator. Hier, de onderzoekers staan ​​voor een keuze. Om het opgenomen vermogen te vergroten, het is gunstig om een ​​resonator te hebben met een zeer smalle bandbreedte. Echter, om zeer korte geluidspulsen te produceren, de bandbreedte moet erg breed zijn. De onderzoekers kwamen uit op een splitringresonator met een bandbreedte van ongeveer 200 MHz, ongeveer 10 tot 20 keer die van een traditionele piëzo-elektrische transducer.

Conforme draadloze resonator

De flexibiliteit van de gesplitste ringresonator werd aangetoond door een reeks experimenten die aantoonden dat deze gebruikt kon worden om mengsels van ultrasone frequenties te genereren door de microgolfexcitatie te pulseren. Er werden akoestische frequenties tot ongeveer 2,5 MHz geproduceerd, maar, gebaseerd op de resonantiebreedte van de splitringresonator, hogere frequenties kunnen waarschijnlijk worden geproduceerd.

Waarschijnlijk het grootste voordeel is dat de resonator slechts een koperen ring is. Door de ring in een plastic envelop met wat olie te plaatsen (de olie absorbeert de microgolven en komt overeen met de akoestische eigenschappen van het lichaam), de ring kan overal op het lichaam worden geplaatst en op afstand worden opgewonden. Dat bewijzen de onderzoekers met een borstfantoom. De ring werd onder de borst geplaatst, en de detectieapparatuur bovenop. De draadloos opgewekte ultrasone signalen waren sterk, en de onderzoekers laten zien dat er maar 10 mW gemiddeld vermogen nodig is om een ​​ultrasoon signaal te verkrijgen.

Nu het bewijs van het principe is aangetoond, de volgende stap moet zijn om een ​​beeldvormingssysteem te bouwen.