Ученые Калифорнийского университета в Беркли нашли способ преодолеть одно из основных ограничений ультразвуковой визуализации - плохое разрешение снимка.
Каждый, кто проходил УЗИ, в том числе большинство беременных женщин, знаком с импрессионистическим характером изображений. Одним из ограничений детализации, которую можно получить с помощью сонографии, является частота звука: основные законы физики диктуют, что мельчайшие объекты, которые вы можете «увидеть», имеют размер примерно равный длине волны звуковых волн. Например, для ультразвука глубоких тканей тела звуковые волны обычно имеют частоту 1-5 мегагерц, что намного выше, чем то, что может слышать человек, что налагает предел разрешения около миллиметра.
В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Nature Physics, физики из Калифорнийского университета в Беркли и Автономного университета Мадрида в Испании демонстрируют, как захватывать мимолетные волны, отражающиеся от объекта, для реконструкции деталей размером до одной пятидесятой длина волны звуковых волн. Эванесцентные звуковые волны - это вибрации вблизи объекта, которые затухают на очень коротком расстоянии, в отличие от распространяющихся волн, которые могут распространяться на большие расстояния.
«С помощью нашего устройства мы можем улавливать и передавать затухающие волны, которые содержат значительную часть ультра-субволновой информации от объекта, так что мы можем реализовать акустическую визуализацию сверхвысокого разрешения», - сказал первый автор. Цзе Чжу, научный сотрудник Центра масштабируемого и интегрированного нанопроизводства (SINAM), финансируемого Национальным научным фондом Нано-научного и инженерного центра Калифорнийского университета в Беркли.
Исследователи называют свое устройство для улавливания исчезающих волн трехмерным метаматериалом с дырчатой структурой. Он состоит из 1600 полых медных трубок, собранных в стержень длиной 16 сантиметров (6 дюймов) с квадратным поперечным сечением 6,3 см (2,5 дюйма). Помещенная близко к объекту, конструкция улавливает мимолетные волны и передает их на противоположный конец.
В практичном устройстве, по словам Чжу, метаматериал может быть закреплен на конце ультразвукового датчика, что значительно улучшит разрешение изображения. Устройство также улучшит подводную эхографию или гидролокатор, а также неразрушающую оценку в промышленных приложениях.
«Для ультразвукового обнаружения разрешение изображения обычно находится в миллиметровом диапазоне», - сказал соавтор Сяобо Инь. «С этим устройством разрешение ограничено только размером отверстий».
В экспериментах исследователей отверстия в медных трубках были около миллиметра в диаметре. При использовании акустических волн с частотой около 2 кГц разрешение изображения обычно ограничивается длиной волны или 200 миллиметрами. Благодаря метаматериалу с дырчатой структурой они могут различать элементы размером всего 4 мм, или одну пятидесятую длины волны.
"Без метаматериала было бы вообще невозможно обнаружить объект такого глубокого субволнового диапазона", - сказал Инь.
Работа была выполнена в лаборатории Сян Чжана, профессора Эрнеста С. Куха кафедры машиностроения Калифорнийского университета в Беркли и директора SINAM. Эксперименты были основаны на теоретических предсказаниях группы под руководством профессора Франсиско Х. Гарсиа-Видаля из Автономного университета Мадрида. Другими соавторами статьи являются Дж. Кристенсен из Мадридского автономного университета, Л. Мартин-Морено из CSIC-Universidad de Zaragoza в Испании, Дж. Юнг из Ольборгского университета в Дании и Л. Фок из SINAM.
Работа финансировалась Управлением военно-морских исследований США и Министерством науки Испании.