A noção de uma matriz em fases foi inicialmente articulada pelo destinatário do Prêmio Nobel KF Braun. As matrizes fases evoluíram posteriormente para um mecanismo formidável para manipulação de ondas. Essa afirmação é particularmente verdadeira no domínio do ultrassom, em que as matrizes compostas por transdutores geradores de ultrassom são empregados em várias aplicações, incluindo ultrassom terapêutico, engenharia de tecidos e manipulação de partículas. É importante ressaltar que essas aplicações-complementares para aqueles que visam a imagem-diminuem o ultrassom de alta intensidade, o que complica os requisitos de direção elétrica, pois cada canal exige seu próprio circuito e amplificador de pulso operacional independente. Consequentemente, a maioria dos transdutores de matrizes em fases (PATs) é restringida a várias centenas de elementos, restringindo assim a capacidade de moldar feixes complexos de ultrassom. Até o momento, não existe metodologia escalável para o alcance e o controle de transdutores de matrizes em fases.
Não obstante o extenso desenvolvimento nas últimas cinco décadas, que culminou em maior confiabilidade e eficiência do {hardware} PAT, a estrutura basic da arquitetura seqüencial multicanal empregada para o abordagem particular person de elementos de transdutor permaneceu praticamente inalterada. Embora tenham sido feitos avanços para facilitar a excitação elétrica de alta potência de matrizes terapêuticas, esses avanços são adaptados a geometrias focados em pontos e seriam inadequados para as configurações de campo significativamente mais complexas necessárias para uma variedade de aplicações. Consequentemente, existe uma necessidade premente de uma arquitetura inovadora capaz de impulsionar simultaneamente milhares de elementos de transdutor com alta potência, taxas de atualização rápida e tempo rigoroso ou controle de fase para ativar a síntese precisa de campo.
Desenvolvemos uma arquitetura optoeletrônica que exige apenas um sinal de entrada elétrica amplificado singular, que é posteriormente disseminado e modulado independentemente para cada elemento do transdutor, evitando assim o requisito para circuitos e amplificadores de pulso separados para cada canal. Além disso, dado que os sinais que conduzem cada canal são intrinsecamente sincronizados, a necessidade de um relógio independente é eliminada, permitindo que toda a modulação de fase seja executada através das entradas ópticas. Por fim, nossa arquitetura eletrônica exibe uma ampla largura de banda operacional, acomodando assim o emprego de transdutores em um extenso espectro de frequências centrais.
A matriz opticamente programável de transdutores (OPAT) usa luz para moldar campos ultrassônicos.
O componente central da arquitetura OPAT é o câmbio de fase ativado pela luz (LAPS), que constitui um circuito analógico projetado para operação de alta frequência, baseada em elementos fotorresistivos integrados a dispositivos eletrônicos passivos dentro de uma arquitetura em cascata. O circuito elétrico converte efetivamente uma intensidade óptica em um sinal elétrico com mudança de fase precisamente. A fase em tempo actual é ajustável modulando a intensidade da luz iluminadora, que pode ser aplicada simultaneamente em todos os canais utilizando projetores padrão e disponíveis comercialmente. A estrutura conceitual de modular a fase de cada transdutor dentro da matriz independentemente através da luz é retratada no figura.
As próximas aplicações biomédicas que utilizam campos de ultrassom estruturado exigem a transmissão de energia acústica elevada em configurações espacialmente complexas. Para atender a esses requisitos, é imperativo empregar transdutores caracterizados por aberturas maiores e aumento da contagem de elementos em comparação com os utilizados convencionalmente para imagem, o que apresenta desafios significativos de fabricação e, até este momento, foi impraticável para excitação elétrica. Neste artigo, propusemos uma nova arquitetura para a excitação elétrica de matrizes em fases através da utilização de padrões de intensidade de luz programáveis. A inovação principal em nosso design é uma rede RC dupla e equilibrada, em que os resistores fotossensíveis facilitam a regulação sem fio e extensivamente paralelizável da fase de saída elétrica. Essa configuração permite, pela primeira vez, a modulação óptica da fase de acionamento para cada elemento de matriz particular person continuamente na faixa de -π a + π. Além disso, nossa arquitetura é capaz de impulsionar independentemente todos os elementos do transdutor dentro de uma matriz utilizando apenas um sinal de RF amplificado, simplificando significativamente a operação de extensas matrizes de transdutores. O sistema atual opera a uma taxa rápida de 100 Hz e exibe escalabilidade, pois a comutação de fase desencadeada pela luz pode ser executada com projeção óptica de baixa intensidade 66 MW/cm2. Além disso, o circuito foi projetado para acomodar a capacitância variável do transdutor e um amplo espectro de frequência variando de 100 kHz a ten MHz. Implementamos nossa arquitetura para agir um padrão 11×11 Array de imagem, gerando fachadas de ondas complexas, demonstrando recursos de foco comunhão e projetando feixes de vórtice.
Geração de gradiente de fase de ultrassom na frente de onda de feixe de vórtice.
Devido ao seu mecanismo de endereçamento paralelo, fonte de alimentação singular e desempenho independente da carga, o câmbio de fase óptica aqui apresentado aqui prevê uma escala vantajosa, facilitando a operação de matrizes de transdutores de elementos excepcionalmente grandes e aumentando significativamente a capacidade de gerar campos complexos de ultrassom dinâmico. Para agir efetivamente matrizes maiores, mantendo uma pegada compacta e adaptável, o modulador óptico pode ser amalgamado, por exemplo, utilizando matrizes µled em conjunto com uma matriz micro-lente para otimizar a eficiência da coleta de luz. O circuito do modulador pode posteriormente ser perfeitamente integrado a um transdutor de emissor através da ligação de chip de flip. Essa arquitetura coesa poderia, assim, endossar a escala adicional sem necessidade de interconexões e eletrônicos mais complexos, abrindo assim avenidas para novas aplicações na biomedicina, incluindo engenharia de tecidos assistida por ultrassom e intervenções terapêuticas baseadas em ultrassom.
