與傳統(tǒng)工藝制作的壓電塊體型超聲換能器相比，電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）具有阻抗匹配特性良好、帶寬大、體積小等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)超聲成像和無損檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。三維超聲反射成像通常需要利用CMUT線陣的機(jī)械移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物的多維度掃描，但這一方法往往難以實(shí)現(xiàn)較小距離的移動(dòng)，并且存在一定的誤差。利用CMUT面陣對(duì)被測(cè)物進(jìn)行掃描可以同時(shí)獲取多維度的超聲反射信號(hào)，從而減少測(cè)試工作量，并且能夠準(zhǔn)確獲取被測(cè)物的三維信息。然而，目前國內(nèi)關(guān)于利用CMUT面陣進(jìn)行非接觸式三維超聲反射成像的研究鮮有報(bào)道。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決上述挑戰(zhàn)，來自中北大學(xué)的研究人員提出了利用基于16 × 4陣元的CMUT面陣進(jìn)行B模式及二次諧波三維成像測(cè)試的方法，以得到偽影水平更低、重建偏差更小的超聲反射圖像。相關(guān)研究成果以“基于16 × 4陣元CMUT面陣的三維超聲反射成像”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊上。

CMUT面陣的制備及工作原理

研究人員分別利用絕緣體上硅（SOI）和二氧化硅（SiO?）晶圓制備了CMUT振動(dòng)薄膜和真空腔，并且在真空環(huán)境中通過晶圓鍵合形成CMUT面陣。

圖1 CMUT剖面圖及陣元圖

圖2 基于16 × 4陣元的CMUT面陣實(shí)物圖

CMUT的工作原理是通過在上、下電極之間施加直流偏壓，從而產(chǎn)生感應(yīng)靜電力將頂部薄膜拉向底部電極。當(dāng)CMUT處于發(fā)射模式時(shí)，將交流電壓信號(hào)疊加在直流偏壓上會(huì)激勵(lì)薄膜振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超聲信號(hào)；當(dāng)CMUT處于接收模式時(shí)，在上、下電極之間施加直流偏壓，在超聲波的作用下，薄膜會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而使得電容值發(fā)生改變，通過檢測(cè)這一變化即可實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的接收。

圖3 CMUT工作原理

仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

該研究利用基于Matlab的k-Wave光聲仿真工具箱對(duì)基于16 × 4陣元的CMUT面陣進(jìn)行超聲反射成像仿真。整個(gè)仿真區(qū)域介質(zhì)為硅油，被測(cè)物為一塊長和寬均為3 cm、厚1 cm的鋁塊，鋁塊與CMUT的距離為3 cm，CMUT陣元間的距離為1 mm。此外，采用單個(gè)陣元發(fā)射、所有陣元接收，即一發(fā)多收的掃描方式對(duì)鋁塊進(jìn)行掃描。

圖4 基于16 × 4陣元的CMUT面陣及被測(cè)鋁塊仿真模型

隨后，研究人員在仿真的基礎(chǔ)上搭建了基于16 × 4陣元的CMUT面陣的超聲反射成像測(cè)試系統(tǒng)。采用面陣上第二條線陣的單個(gè)陣元發(fā)射、所有陣元接收的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)使用信號(hào)發(fā)生器和功率放大器驅(qū)動(dòng)CMUT面陣發(fā)射超聲波，并且利用示波器觀察超聲反射信號(hào)波形。

圖5 基于16 × 4陣元的CMUT面陣超聲反射成像測(cè)試系統(tǒng)示意圖及超聲反射成像實(shí)測(cè)圖

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究人員采用B模式及二次諧波兩種成像算法分別對(duì)被測(cè)鋁塊的超聲反射信號(hào)進(jìn)行處理，以獲取其三維圖像及對(duì)應(yīng)的二維切面。結(jié)果顯示，基于16 × 4陣元的CMUT面陣的反射成像系統(tǒng)能夠確定鋁塊的位置。此外，基于B模式成像算法和二次諧波成像算法所獲取的成像結(jié)果中，鋁塊與CMUT面陣的距離重建偏差分別為3.63%及1.47%。

圖6 被測(cè)鋁塊二維反射成像結(jié)果

圖7 被測(cè)鋁塊三維反射成像結(jié)果

綜上所述，該研究搭建了基于16 × 4陣元的CMUT面陣的三維超聲反射成像系統(tǒng)，以獲得誤差小、信噪比高的超聲反射圖像。采用單個(gè)陣元發(fā)射、所有陣元接收的收發(fā)方式對(duì)鋁塊進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試與仿真，利用B模式及二次諧波成像算法對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行處理，獲取了被測(cè)物的二維切面及三維圖像。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均可以較清晰地確定鋁塊的位置，與實(shí)際情況相符。

為了對(duì)比兩種算法的成像效果，研究人員計(jì)算了鋁塊與CMUT面陣的距離重建偏差。計(jì)算結(jié)果顯示，B模式及二次諧波成像算法的仿真距離重建偏差分別為0.63%和0.4%，實(shí)驗(yàn)重建偏差分別為3.63%和1.47%，二次諧波圖像的距離重建偏差均小于B模式圖像的距離重建偏差?？傊?，該研究證明了所提出的基于16 × 4陣元的CMUT面陣的三維超聲反射系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物的三維成像。

審核編輯：劉清