Las imágenes fotoacústicas generan ondas de ultrasonido al irradiar tejidos biológicos con pulsos o láseres continuos modulados. Los sensores de ultrasonido se utilizan para capturar señales de ultrasonido de manera distribuida. Luego, la distribución de absorción de luz de los tejidos biológicos se puede reconstruir con la ayuda de algoritmos de reconstrucción de imágenes. En comparación con las imágenes ópticas, las imágenes fotoacústicas proporcionan una mayor resolución espacial, una mayor profundidad de penetración y un contraste de absorción óptica selectivo, lo que permite una visualización detallada de la distribución de hemoglobina, lípidos, melanina y otros cromóforos en los tejidos biológicos.

Como elemento clave del sistema de imagen fotoacústica, los sensores de ultrasonido deciden directamente el rendimiento de la imagen. Los principales sensores de ultrasonido se basan en el efecto piezoeléctrico, que convierte las ondas mecánicas en cargas eléctricas. La sensibilidad de tales sensores está relacionada con el tamaño de los elementos piezoeléctricos. Para lograr suficiente sensibilidad, se requieren elementos piezoeléctricos de escala milimétrica, lo que limita la miniaturización del dispositivo. Como fibra óptica especial con un tamaño de varios micrones o cientos de nanómetros, la microfibra tiene las características de tamaño pequeño, campo evanescente grande y alta sensibilidad al medio ambiente. Entonces, ¿se puede aplicar a la detección de ultrasonido con alta sensibilidad?

En un estudio publicado en Opto-Electronic Advances , el grupo de investigación del Prof. Qizhen Sun de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong propuso un sensor de ultrasonido de microfibra en miniatura. Se demostró la detección ultrasensible de ultrasonido usando microfibras con un gran campo evanescente y sensibilidad ambiental. Además, según nuestro conocimiento, se realizó por primera vez el sistema de imágenes fotoacústicas basado en el sensor de microfibra.

Los investigadores optimizaron el diámetro de la microfibra a 7 μm en vista del campo evanescente más grande. Como se muestra en la Fig. 1b, la sensibilidad del sensor se mejora aún más mediante el uso de material de polidimetilsiloxano (PDMS) con alto coeficiente elástico-óptico para encapsular la microfibra. Cuando la onda de ultrasonido se aplica al sensor, el índice de refracción de PDMS cambiará correspondientemente debido al efecto elástico-óptico, lo que resultará en la modulación del índice de refracción efectivo de la microfibra. Se construye un interferómetro Mach-Zehnder para demodular los cambios de fase del láser de interrogación inducidos por las ondas ultrasónicas incidentes. Se utiliza un estabilizador de retroalimentación basado en el método de diferenciación de integración proporcional (PID) para compensar la fluctuación de baja frecuencia causada por el ruido. Los resultados experimentales muestran que la sensibilidad del sensor de ultrasonido de microfibra lineal mejora en un orden de magnitud en comparación con el sensor de fibra monomodo estándar. El sensor exhibe una presión equivalente de bajo ruido de 153 Pa y un amplio ancho de banda de respuesta de hasta 14MHz (-10dB). Además, el sensor se puede utilizar para la detección de señales más débiles mediante la optimización de la microfibra y el sistema de detección para mejorar la sensibilidad y el ancho de banda del sensor.

El grupo de investigación también demostró un sistema de imágenes fotoacústicas basado en el sensor de microfibra. El rendimiento del sistema de formación de imágenes se evalúa mediante la formación de imágenes de tres cabellos humanos. La relación señal-ruido (SNR) del sistema podría alcanzar los 31 dB incluso a una profundidad de 12 mm. Las resoluciones axial y lateral son de 65 μm y 250 μm a 5 mm de profundidad, respectivamente. Se espera que esta tecnología genere imágenes de alta resolución, gran profundidad de imagen y fotoacústica/ultrasonido lateral, lo que tiene una importancia importante y un valor de aplicación en el examen de la salud humana y la investigación en ciencias biológicas. + Explora más

El 'flujo' de agua y luz inspiran un sensor acoplador de microfibra óptica ultrasensible