9.7. Акустическая микроскопия

Способность генерировать и улавливать акустическую энергию на очень высоких частотах и соответственно малых длинах волн открыла возможность создания методов акустической микроскопии. Эта идея была впервые исследована в 1936 г. Соколовым, который использовал описанный выше прототип ультразвуковой видеокамеры (звуковизора). Другой подход с использованием тонкопроволочной термопары в качестве сканируемого детектора был описан позднее Данном и Фраем [7]. Ни один из этих интересных подходов не смог обеспечить необходимую комбинацию чувствительности и пространственного разрешения для реализации всех физических возможностей этой методики и только с 1970 г. начались систематические исследования в этой области. Превосходный детальный обзор сделали Лемонс и Куэйт [17].

Как уже отмечалось в предыдущих разделах этой главы, существует много возможных подходов к проблеме акустической визуализации, многие из которых сейчас применяются в форме «микроскопии». Особое внимание уделялось трансмиссионной технике при работе с объектами в виде тонких срезов (аналогично оптической микроскопии). Возрастает также интерес к информации, полученной при отражении и рассеянии. В трансмиссионной визуализации различают методы, дающие прямое изображение акустического поля, «модулированного объектом» (например, с использованием приборов типа ячейки Польмана, см. гл. 3), которое можно непосредственно наблюдать или фотографировать, и методы получения изображений пошаговым сканированием. Первая группа методов пока применяется относительно безуспешно, и сейчас всюду используются сканирующие методы, обладающие рядом существенных преимуществ. Среди сканирующих методов можно также выделить две большие группы: во-первых, методы, в которых модулированное акустическое поле регистрируется в ближней зоне объекта, т. е. на расстояниях, сравнимых с пространственным разрешением системы, и, во-вторых, методы регистрации в дальней зоне на гораздо больших расстояниях.

Пример системы с регистрацией в ближней зоне, предложенной Кесслером [16], показан на рис. 9.6, где модулированное акустическое поле измеряется по смещению, вызванному этим полем на оптически зеркальной поверхности, помещенной приблизительно нормально к направлению пучка. Объект погружен в жидкость (например, в воду), верхняя граница которой соприкасается с оптически полуотражающей плоской поверхностью твердого прозрачного блока. Амплитуды и фазы смещений этой поверхности связаны с коэффициентом затухания и скоростью звука в прилегающих снизу областях объекта и могут быть измерены с помощью сканирующего оптического (например, лазерного) пучка. Обычно лазерный пучок можно сканировать в стандартном видеорастре, получая изображение в «реальном времени». Важным свойством этой установки является возможность одновременного получения оптического изображения объекта с помощью фотодиода, расположение которого показано на рисунке.

Относительная апертура и, следовательно, эффективная разрешающая способность такой системы на заданной частоте ограничивается критическим углом отражения ультразвука на оптически отражающей поверхности. Желательно подобрать отношение скоростей звука в иммерсионной жидкости и твердом теле как можно

Рис. 9.6. Принцип действия сканирующего лазерно-акустического микроскопа [16].

ближе к 1, поэтому в качестве материала для верхнего блока выбирается специальная пластмасса. На практике достигнуто разрешение порядка 10 мкм (т. е. полторы длины волны в воде) на частоте 220 МГц. Ниже этого предела могут проявляться ограничения оптической системы, в том числе размер лазерного пятна. При небольшой модификации стандартной системы, когда угол падения акустического пучка на отражающий блок устанавливается равным критическому, — устанавливается режим «темного поля». На рис. 9.7 показаны примеры изображений (акустического поглощения и акустической фазовой интерферограммы), полученных с помощью сканирующего лазерно-акустического микроскопа Кесслера (СДАМ).

В последнее время все возрастающий интерес, отчасти вызванный работой Куэйта с соавт. из Станфордского университета, вызывает создание систем, работающих в дальней зоне. Базовая установка такой системы (сканирующего акустического микроскопа — САМ) показана на рис. 9.8. Излученная плоская волна фокусируется линзой в фокальное пятно на тонком объекте, а

(кликните для просмотра скана)

Рис. 9.8. Принцип действия сканирующего акустического микроскопа (САМ) в стандартном трансмиссионном режиме. Принципиально осуществимы другие режимы работы, например стереоскопия, режимы «темного поля», отражения и т. д.

промодулированная объектом волна собирается такой же линзой на приемной системе. Изображение получается путем сканирования объекта в его собственной плоскости и регистрации соответствующих значений амплитуды и фазы.

Очень интересная особенность оптического элемента в такой акустической системе заключается в том, что можно построить систему, в которой линза и иммерсионная жидкость имеют очень разные скорости распространения (например, в акустике отношение скоростей ультразвука для системы вода — сапфир равно 0,135, тогда как в оптике для системы стекло — воздух оно равно 0,66). Можно показать, что при этом сферические аберрации в акустике пренебрежимо малы даже при большой относительной апертуре. Это в принципе обеспечивает очень высокую разрешающую

способность, на практике ограниченную коэффициентом затухания и скоростью звука в иммерсионной жидкости. Полезно определить показатель качества М такой жидкости (нормированный по отношению к воде), который характеризует потенциальную разрешающую способность прибора с заданной геометрией и акустоэлектрическими характеристиками:

где — скорости звука в воде и иммерсионной жидкости, соответствующие коэффициенты затухания, нормированные на квадрат частоты.

Для большинства молекулярных жидкостей более высокие его значения — для ртути (1.89), жидкого азота (2,1) и жидкого гелия (3,6) [17]. Недавно [23] было показано, что микроскопы, работающие со сжатым аргоном или ксеноном, характеризуются значениями . При этом предсказанное разрешение на частоте и давлении ксенона 4 МПа (или 40 бар) составляет что значительно превосходит предельные значения для обычных оптических микроскопов. Примеры акустических микрофотографий, полученных с помощью водно-иммерсионного микроскопа на частоте 900 МГц, показаны на рис. 9.9.

Структура базового САМ, описанная здесь, очень гибкая и допускает множество модификаций. Так, например, если ось приемной линзы и преобразователя смещена на 10—20° от оси излучающей системы, то установка начинает работать в режиме «темного поля», в котором регистрируются только рассеянные волны. Применяя достаточно быстродействующую электронику в приемном тракте, эту систему можно использовать как импульсный эхолокатор с одним преобразователем, в частности, для исследования особенностей поверхности исследуемого объекта и приповерхностного слоя. Наконец, излучая (в исходной системе с двумя преобразователями) сигнал на одной частоте (например, 450 МГц) и настраивая приемник на вторую гармонику (900 МГц), можно получить изображение, характеризующее нелинейные акустические свойства объекта и/или иммерсионной среды [17] (см. рис. 9.9).

Хотя высокое пространственное разрешение само по себе является заманчивым преимуществом акустической микроскопии, еще более существенно то, что она дает совершенно другую информацию по сравнению с оптическими микроскопами. Контраст в акустической микрофотографии возникает вследствие различия упругих характеристик материалов (в частности, акустических

Рис. 9.9. Акустические трансмиссионные микрофотограммы препарата ткани почки, полученные с помощью сканирующего акустического микроскопа: на частотах на второй гармонике при излучении и приеме на формирование изображения, по-видимому, происходит благодаря изменениям нелинейности среды распространения ультразвука в объекте [17].

коэффициентов поглощения и скоростей звука). И хотя о свойствах биологических сред на высоких (гиперзвуковых) частотах известно довольно мало, оказывается, что на практике контраст акустического изображения может быть намного выше, чем у оптического изображения неокрашенных препаратов. Таким образом, акустические микрофотографии могут давать новую информацию и быть полезными при обследовании живых клеток и тканей. Они могут также нести полезную информацию о природе акустических неоднородностей, вызывающих рассеяние (см. гл. 6), которое широко применяется в традиционной акустической эхо-импульсной визуализации (гл. 8), а также с недавнего времени в некоторых методах характеризации тканей (гл. 10). В этом смысле основной акцент в акустической микроскопии должен ставиться не столько на высоком пространственном разрешении, сколько на количественной оценке пространственного распределения упругих свойств различных тканей.

Литература

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)