成像技术在纳米尺度动力学、生物器官和细胞研究、医学诊断和水下探测中发挥着关键作用，其可以提供物体复杂形状和状态的详细信息。然而，对隐藏在几乎无法穿透的金属屏障下的物体进行超声成像仍然是一个难题。
据麦姆斯咨询报道，近日，韩国标准科学研究院（Korea Research Institute of Standards and Science，KRISS）和首尔国立大学（Seoul National University）的研究人员联合在Nature Communications期刊上发表了题为“Ultrasonic barrier-through imaging by Fabry-Perot resonance-tailoring panel”的文章，展示了在高阻抗失配金属屏障后面水中物体的超声成像结果。利用法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP）共振现象来实现通过屏障的完全透射。与传统的FP共振不同，研究人员引入了一个额外的元件——FP共振剪裁面板（RTP），位于可控距离处，通过调整面板和屏障之间的多次散射，实现了通过屏障的完全透射。
研究人员展示了水下船只内超声波检测的示意图，并在概念上比较了使用和不使用FP RTP时通过金属船体壁的超声波成像。与水相比，金属壁具有高对比阻抗。如果没有RTP，来自船体内部物体的反射信号实际上不携带目标物体的信息。研究人员的高质量成像方法利用了任何期望频率下的FP共振现象，这与固有的FP共振频率不同。研究人员设计了一种特定材料和厚度的RTP，用于通过屏障成像，并将其放置在屏障前方的可控距离处。这允许在任何期望的频率下，通过由RTP、水隙和屏障组成的系统进行几乎完全的透射。
通过几乎不可穿透的屏障进行超声成像以及RTP的概念
在这项研究中，演示了使用RTP通过屏障的超声成像。研究人员特别专注于识别物体的复杂形状。为了提高透射率，研究人员设计了一种以不锈钢为基材的RTP。实验结果表明，该RTP在500 kHz时实现了完全透射。
500 kHz下水中的超声成像实验
通过不可穿透屏障的超声波束传输是RTP的有前途应用之一，包括医学和无损评估（NDE）领域。通过模拟证明了RTP在超声波束通过屏障传输方面的有效性。
在500 kHz下，使用和不使用RTP时，通过1 mm厚钢板屏障的超声波束传输模拟
在这项研究中，对几乎无法穿透的屏障后面的物体进行超声成像，例如通过沉船或人类头骨的成像，这一问题仍未解决。研究人员对金属屏障后物体的超声成像技术可以为大脑或沉船内部的非侵入性超声成像铺平道路。所提出的方法通过对隐藏在1 mm厚的钢板屏障和4 mm厚的铝板屏障后面的具有相对复杂形状的水下物体的成功成像得到了实验验证。
在与屏障的FP共振频率不同的频率下，成功地完成了水中的屏障穿透成像。当屏障的FP共振频率较高时，波衰减会使该频率下的屏障穿透成像变得困难。现在，如果利用所提出的RTP来降低成像频率，则可以克服这些严重的限制。
然而，在将该策略用于实际应用之前，必须解决某些科学和技术问题。首先，高分辨率超声成像需要一种将目标频率调谐到2 MHz以上的方法，例如自动精细间隙调谐方法。为了更好地进行时间定位，应该进一步研究脉冲信号的屏障传输，而不是谐波；还必须开发一种不依赖于平面波假设的通用超声成像方法。此外，还需要一种方法来抵消屏障的材料阻尼和不均匀性。尽管存在这些尚未解决的问题，但预计这项研究的实验结果将成为通过几乎不可穿透的屏障进行超声成像的新范式。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43675-4
延伸阅读：
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
