Figura 1. (a) Il diagramma schematico del sistema di rilevamento ad ultrasuoni altamente sensibile basato sulla microfibra. Il diagramma schematico (b) e la micrografia (c) del sensore a ultrasuoni in microfibra. Sensibilità (d) e larghezza di banda di risposta (e) del sensore. Credito:Compuscript Ltd
L'imaging fotoacustico genera onde ultrasoniche irradiando tessuti biologici con impulsi o laser continui modulati. I sensori a ultrasuoni vengono utilizzati per acquisire i segnali a ultrasuoni in modo distribuito. Quindi, la distribuzione dell'assorbimento della luce dei tessuti biologici può essere ricostruita con l'aiuto di algoritmi di ricostruzione dell'immagine. Rispetto all'imaging ottico, l'imaging fotoacustico fornisce una risoluzione spaziale più elevata, una maggiore profondità di penetrazione e un contrasto di assorbimento ottico selettivo, consentendo così una visualizzazione dettagliata della distribuzione di emoglobina, lipidi, melanina e altri cromofori nei tessuti biologici.
In quanto elemento chiave del sistema di imaging fotoacustico, i sensori a ultrasuoni decidono direttamente le prestazioni di imaging. I sensori a ultrasuoni tradizionali si basano sull'effetto piezoelettrico, che converte l'onda meccanica in cariche elettriche. La sensibilità di tali sensori è correlata alla dimensione degli elementi piezoelettrici. Per ottenere una sensibilità sufficiente, sono necessari elementi piezoelettrici in scala millimetrica, che limitano la miniaturizzazione del dispositivo. Essendo una fibra ottica speciale con una dimensione di diversi micron o centinaia di nanometri, la microfibra ha le caratteristiche di piccole dimensioni, ampio campo evanescente e alta sensibilità all'ambiente. Quindi, può essere applicato al rilevamento degli ultrasuoni con un'elevata sensibilità?
In uno studio pubblicato su Opto-Electronic Advances , il gruppo di ricerca del Prof. Qizhen Sun dell'Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong ha proposto un sensore a ultrasuoni in microfibra miniaturizzato. Il rilevamento a ultrasuoni altamente sensibile è stato dimostrato utilizzando microfibra con ampio campo evanescente e sensibilità ambientale. Inoltre, al meglio delle nostre conoscenze, è stato realizzato per la prima volta il sistema di imaging fotoacustico basato sul sensore in microfibra.
Figura 2. (a) Sistema di imaging fotoacustico basato sul sensore a ultrasuoni in microfibra. Immagini ricostruite (b-c),. Risoluzioni assiale (d) e laterale (e) del sistema di imaging. Credito:Compuscript Ltd
I ricercatori hanno ottimizzato il dimetro della microfibra a 7μm in vista del campo evanescente più ampio. Come mostrato in Fig.1b, la sensibilità del sensore è ulteriormente migliorata utilizzando il materiale Polidimetilsilossano (PDMS) ad alto coefficiente elastico-ottico per incapsulare la microfibra. Quando l'onda ultrasonica viene applicata al sensore, l'indice di rifrazione del PDMS cambierà di conseguenza a causa dell'effetto elastico-ottico, determinando la modulazione dell'indice di rifrazione effettivo della microfibra. Un interferometro Mach-Zehnder è costruito per demodulare i cambiamenti di fase del laser di interrogazione indotti dalle onde ultrasoniche incidenti. Uno stabilizzatore di feedback basato sul metodo Proportion Integration Differentiation (PID) viene utilizzato per compensare la fluttuazione a bassa frequenza causata dal rumore. I risultati sperimentali mostrano che la sensibilità del sensore a ultrasuoni in microfibra lineare è migliorata di un ordine di grandezza rispetto al sensore a fibra monomodale standard. Il sensore mostra una pressione equivalente a basso rumore di 153 Pa e un'ampia larghezza di banda di risposta fino a 14 MHz (-10 dB). Inoltre, il sensore può essere utilizzato per il rilevamento di segnali più deboli, ottimizzando la microfibra e il sistema di rilevamento per migliorare la sensibilità e la larghezza di banda del sensore.
Il gruppo di ricerca ha anche dimostrato un sistema di imaging fotoacustico basato sul sensore in microfibra. Le prestazioni del sistema di imaging vengono valutate mediante l'imaging di tre capelli umani. Il rapporto segnale-rumore (SNR) del sistema potrebbe raggiungere i 31dB anche alla profondità di 12 mm. Le risoluzioni assiale e laterale sono rispettivamente di 65μm e 250μm a 5 mm di profondità. Questa tecnologia è prevista per l'alta risoluzione, l'ampia profondità di imaging e l'imaging fotoacustico/a ultrasuoni laterale, che ha un significato importante e un valore applicativo nell'esame della salute umana e nella ricerca in scienze biologiche. + Esplora ulteriormente
