光声层析成像（PAT）是一种具有吸引力的成像模式，可提供具有声学分辨率的光学对比度。光声层析成像应用的最新进展在很大程度上依赖于集成众多元件的超声传感器阵列的开发和应用。尽管片上光学超声传感器已被证明具有高灵敏度、大带宽和小尺寸，但是使用片上光学超声传感器阵列的光声层析成像却很少被报道。
据麦姆斯咨询报道，近日，中山大学电子与信息工程学院沈乐成副教授、李朝晖教授团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Parallel interrogation of the chalcogenide-based micro-ring sensor array for photoacoustic tomography”的论文，该论文的共同第一作者为潘竞顺和李强，共同通讯作者为沈乐成副教授和李朝晖教授。
在这项研究工作中，研究人员使用含有15个元件的基于硫族化合物的微环传感器阵列演示了光声层析成像，而每个元件支持175MHz（−6 dB）的带宽和2.2 mPa/√Hz的噪声等效压力。此外，通过合成数字光学频率梳（DOFC），研究人员进一步开发了一种对该传感器阵列进行并行询问的有效方法。作为概念验证，仅使用一个光源和一个光电接收器演示了该传感器阵列的光声层析成像并行询问，实现了对快速移动的物体、叶脉和活体斑马鱼的成像。基于硫族化合物的微环传感器阵列的优越性能以及DOFC实现的并行询问的有效性为光声层析成像技术的进一步应用提供了巨大的发展前景。
图1 基于硫族化合物的微环传感器阵列进行光声层析成像的示意图
该传感器阵列的主要部件是微环传感器和总线波导。图2（a）和2（b）分别显示了微环传感器和总线波导的扫描电子显微（SEM）照片。每个微环传感器的直径为40 μm，截面高度为850 nm，宽度为2.4 μm。它们之间的中心距离为400μm，并且它们中的每一个都占据大约0.85μm × 40 μm × 40 μm的有效区域 。通过使用有限元方法（COMSOL Multiphysics 5.6），图2（c）和（d）分别显示了微环传感器和波导内部传播模式的数值模拟强度分布，表现出良好的模式约束。出于实际考虑，研究人员在一个芯片上制作了许多具有不同参数的微环传感器阵列，如图2（e）中的显微图像所示。在检查性能之后，将只包含一个传感器阵列的部件进行切割并封装，占位面积大约为6 mm × 2 mm。特别地，图2（f）中红色框内的总线波导末端连接到单模光纤，放大视图如图2（g）所示。
图2 基于硫族化合物的微环传感器阵列的结构
研究人员首先表征了微环传感器在水环境中的性能，如图3所示。
图3 微环超声传感器的表征
采用微环传感器阵列进行光声层析成像的实验设置如图4（a）所示。图4（b）绘制了零值情况下测得的透射光谱随时间的变化。当激光诱导的超声波信号对这些微环进行调制时，图4（c）描绘了测量的透射光谱与时间的关系。重建后的超声信号作为每个微环传感器的时间函数如图4（d）所示。
图4 利用硫族化合物微环传感器阵列进行光声层析成像的实验设置和工作原理
研究人员首先在快速运动物体成像上实现了对传感器阵列的并行询问。在第一次演示中，利用两轴振镜扫描黑色胶带上聚焦的光脉冲，创建了一个快速移动的热点。该热点的直径约为100μm，能量为1nJ，沿“8”形轨迹运动。DOFC可以同时对所有微环传感器的光声信号进行并行询问，并使用通用反投影（UBP）来重建该线性阵列的图像。尽管这种成像方案下的帧率可以达到10kHz，但研究人员在5ms的时间窗口内只选取了8张代表性图像来显示图5（a）中所创建的热点的运动轨迹。
除了对虚拟热点进行成像外，研究人员还演示了对运动中的聚苯乙烯微球进行成像。微球直径为200μm，被放置在内径为500μm的塑料管中。不同时间间隔重建的图像如图5（b）所示，具有并行询问的微环传感器阵列对运动物体成像表现出良好的可靠性。
图5 微环传感器阵列对快速运动物体成像的实验结果
研究人员进一步将具有并行询问功能的微环传感器阵列应用于复杂结构的生物样本成像。图6（a）为利用微环传感器阵列重建的叶片图像，在各个方向上呈现出清晰的叶脉结构。作为对比，使用典型微环传感器重建的图像如图6（b）所示。值得注意的是，图6（a）中的叶脉比图6（b）中的叶脉表现出更好的对比度。这些结果证实了微环传感器阵列的性能优于单个微环传感器。
图6 微环传感器阵列对生物样本成像的实验结果
研究人员还通过对微环传感器阵列使用DOFC实现的并行询问对处于不同生长阶段的活体斑马鱼进行了光声层析成像。对于3个月大的成年斑马鱼，其头部和尾部的重建图像分别如图 6（f）和6（g）所示。研究人员还对受精后7天和20天的较小斑马鱼进行了全身成像，重建图像分别如图6（h）和6（i）所示。这些成像结果证实了微环传感器阵列和DOFC实现的并行询问对活体光声层析成像的可行性和有效性。
综上所述，本研究报道了一种集成15个元件的基于硫族化合物的微环传感器阵列。该光学超声阵列的特征参数与目前被报道的最先进的光学超声传感器相当。研究人员还开发了一种仅使用一对光源-探测器并行询问微环传感器阵列的有效方法。与之前展示的微环传感器阵列相比，开发的并行询问方法可以大大简化系统设置，同时加快数据采集过程。这种简化对于开发具有光学超声传感器阵列的头戴式成像设备特别有价值，因为这些设备既需要紧凑的尺寸，又需要快速的数据采集。此外，并行询问的方式消除了同步每个元件测量的信号的必要性，这有利于光声层析成像的数据收集和图像重建过程。凭借这些优势，研究人员还提供了对快速移动的物体和不同生长阶段的活体斑马鱼进行成像的演示。这项研究工作提出了一种基于硫族化合物的微环传感器阵列及其兼容的DOFC并行询问，是将光学超声传感器阵列推进光声层析成像的临床前和临床应用的重要里程碑。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-39075-3
