A imagem fotoacústica gera ondas de ultrassom irradiando tecidos biológicos com pulsos ou lasers contínuos modulados. Sensores de ultrassom são usados ​​para capturar sinais de ultrassom de maneira distribuída. Então, a distribuição de absorção de luz dos tecidos biológicos pode ser reconstruída com a ajuda de algoritmos de reconstrução de imagem. Em comparação com a imagem óptica, a imagem fotoacústica fornece maior resolução espacial, maior profundidade de penetração e contraste de absorção óptica seletiva, permitindo assim a visualização detalhada da distribuição de hemoglobina, lipídio, melanina e outros cromóforos em tecidos biológicos.
Como o elemento chave do sistema de imagem fotoacústica, os sensores de ultrassom decidem diretamente o desempenho da imagem. Os sensores de ultrassom convencionais são baseados no efeito piezoelétrico, que converte ondas mecânicas em cargas elétricas. A sensibilidade de tais sensores está relacionada ao tamanho dos elementos piezoelétricos. Para obter sensibilidade suficiente, são necessários elementos piezoelétricos de escala milimétrica, o que limita a miniaturização do dispositivo. Como uma fibra óptica especial com tamanho de vários mícrons ou centenas de nanômetros, a microfibra tem as características de tamanho pequeno, grande campo evanescente e alta sensibilidade ao ambiente. Então, ele pode ser aplicado ao sensoriamento de ultrassom com alta sensibilidade?

Em um estudo publicado em Avanços Opto-Eletrônicos , o grupo de pesquisa do Prof. Qizhen Sun da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong propôs um sensor de ultrassom de microfibra miniaturizado. A detecção de ultra-som altamente sensível foi demonstrada usando microfibra com grande campo evanescente e sensibilidade ambiental. Além disso, o sistema de imagem fotoacústica baseado no sensor de microfibra foi realizado pela primeira vez, até onde sabemos.

Os pesquisadores otimizaram o diâmetro da microfibra para 7μm em vista do campo evanescente maior. Conforme mostrado na Fig.1b, a sensibilidade do sensor é aprimorada ainda mais usando o material Polidimetilsiloxano (PDMS) com alto coeficiente elástico-óptico para encapsular a microfibra. Quando a onda de ultrassom é aplicada no sensor, o índice de refração do PDMS mudará de forma correspondente devido ao efeito elástico-óptico, resultando na modulação do índice de refração efetivo da microfibra. Um interferômetro Mach-Zehnder é construído para demodular as mudanças de fase do laser de interrogação induzidas pelas ondas de ultrassom incidentes. Um estabilizador de feedback baseado no método PID (Proportion Integration Differentiation) é usado para compensar a flutuação de baixa frequência causada por ruído. Os resultados experimentais mostram que a sensibilidade do sensor de ultra-som de microfibra linear é melhorada em uma ordem de grandeza em comparação com o sensor de fibra monomodo padrão. O sensor exibe uma pressão equivalente de baixo ruído de 153Pa e uma ampla largura de banda de resposta de até 14MHz (-10dB). Além disso, o sensor pode ser usado para a detecção de sinais mais fracos, otimizando a microfibra e o sistema de detecção para melhorar a sensibilidade e a largura de banda do sensor.

O grupo de pesquisa também demonstrou um sistema de imagem fotoacústica baseado no sensor de microfibra. O desempenho do sistema de imagem é avaliado pela imagem de três cabelos humanos. A relação sinal-ruído (SNR) do sistema pode chegar a 31dB mesmo na profundidade de 12mm. As resoluções axial e lateral são 65μm e 250μm a 5mm de profundidade, respectivamente. Esta tecnologia é esperada para alta resolução, grande profundidade de imagem e imagem fotoacústica/ultrassom lateral, que tem um significado importante e valor de aplicação em exames de saúde humana e pesquisa em ciências biológicas. + Explorar mais

O 'fluxo' de água e luz inspira o sensor acoplador de microfibra óptica ultrassensível