基于FP共振剪裁面板的屏障穿透超聲成像

成像技術在納米尺度動力學、生物器官和細胞研究、醫學診斷和水下探測中發揮著關鍵作用，其可以提供物體復雜形狀和狀態的詳細信息。然而，對隱藏在幾乎無法穿透的金屬屏障下的物體進行超聲成像仍然是一個難題。

據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國標準科學研究院（Korea Research Institute of Standards and Science，KRISS）和首爾國立大學（Seoul National University）的研究人員聯合在Nature Communications期刊上發表了題為“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果。利用法布里-珀羅（Fabry-Perot，FP）共振現象來實現通過屏障的完全透射。與傳統的FP共振不同，研究人員引入了一個額外的元件——FP共振剪裁面板（RTP），位于可控距離處，通過調整面板和屏障之間的多次散射，實現了通過屏障的完全透射。

研究人員展示了水下船只內超聲波檢測的示意圖，并在概念上比較了使用和不使用FP RTP時通過金屬船體壁的超聲波成像。與水相比，金屬壁具有高對比阻抗。如果沒有RTP，來自船體內部物體的反射信號實際上不攜帶目標物體的信息。研究人員的高質量成像方法利用了任何期望頻率下的FP共振現象，這與固有的FP共振頻率不同。研究人員設計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進行幾乎完全的透射。

通過幾乎不可穿透的屏障進行超聲成像以及RTP的概念

在這項研究中，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別物體的復雜形狀。為了提高透射率，研究人員設計了一種以不銹鋼為基材的RTP。實驗結果表明，該RTP在500 kHz時實現了完全透射。

500 kHz下水中的超聲成像實驗

通過不可穿透屏障的超聲波束傳輸是RTP的有前途應用之一，包括醫學和無損評估（NDE）領域。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，通過1 mm厚鋼板屏障的超聲波束傳輸模擬

在這項研究中，對幾乎無法穿透的屏障后面的物體進行超聲成像，例如通過沉船或人類頭骨的成像，這一問題仍未解決。研究人員對金屬屏障后物體的超聲成像技術可以為大腦或沉船內部的非侵入性超聲成像鋪平道路。所提出的方法通過對隱藏在1 mm厚的鋼板屏障和4 mm厚的鋁板屏障后面的具有相對復雜形狀的水下物體的成功成像得到了實驗驗證。

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。當屏障的FP共振頻率較高時，波衰減會使該頻率下的屏障穿透成像變得困難?，F在，如果利用所提出的RTP來降低成像頻率，則可以克服這些嚴重的限制。

然而，在將該策略用于實際應用之前，必須解決某些科學和技術問題。首先，高分辨率超聲成像需要一種將目標頻率調諧到2 MHz以上的方法，例如自動精細間隙調諧方法。為了更好地進行時間定位，應該進一步研究脈沖信號的屏障傳輸，而不是諧波；還必須開發一種不依賴于平面波假設的通用超聲成像方法。此外，還需要一種方法來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，但預計這項研究的實驗結果將成為通過幾乎不可穿透的屏障進行超聲成像的新范式。

審核編輯：黃飛