Optisk generering af ultralyd via fotoakustisk effekt

Begrænsninger af de piezoelektriske array -teknologier, der konventionelt bruges til ultralyd, inspirerede en gruppe University College London -forskere til at undersøge en alternativ mekanisme til generering af ultralyd via lys, også kendt som den fotoakustiske effekt. Kobler dette med 3D-udskrivning, gruppen var i stand til at generere lydefelter med specifikke former til potentiel brug ved biologisk cellemanipulation og lægemiddeltilførsel.

Piezoelektriske materialer genererer mekanisk belastning som reaktion på et anvendt elektrisk felt, resulterer i en brugbar og præcist kontrollerbar kraft, der kan, for eksempel, bruges til at skabe lydbølger. Men at opnå denne kontrol med konventionelle piezoelektriske arrays kræver både kompliceret elektronik og et stort antal ekstremt små individuelle komponenter, som er dyre og vanskelige at fremstille.

Den fotoakustiske effekt, i modsætning, opstår, når en kort puls eller moduleret lyskilde absorberes af et materiale, producerer en lydbølge. Som gruppen rapporterer i denne uges Anvendt fysik bogstaver , deres arbejde fokuserer på at bruge den fotoakustiske effekt til at styre ultralydsfelter i 3D.

"Et nyttigt træk ved den fotoakustiske effekt er, at den oprindelige form af den genererede lyd bestemmes [af], hvor lyset absorberes, "sagde Michael Brown, en doktorand ved Biomedical Ultrasound Group ved Institut for Medicinsk Fysik og Biomedicinsk Teknik ved University College London. "Dette kan bruges til at skabe tæt fokuserede intense lydpunkter ved blot at deponere en optisk absorber på en konkav overflade, der fungerer som en linse. "

Mere generelt, det er muligt at fremstille prøver med næsten enhver overfladeform ved hjælp af en 3D-printer og et gennemsigtigt materiale.

"Ved at deponere en optisk absorber på denne overflade, som kan gøres via spraymaling, en lydbølge af næsten enhver form kan skabes ved at belyse denne prøve med en laser, "Brown sagde." Hvis du omhyggeligt skræddersyr overfladens design og derfor formen på den akustiske bølge, det er muligt at kontrollere, hvor lydfeltet vil fokusere og endda oprette felter, der er fokuseret over kontinuerlige former. Vi bruger bogstaver og tal. "

Dette er især vigtigt, fordi i teorien, evnen til at kontrollere bølgefrontens form - overfladen, over hvilken lydbølgen har en konstant fase, lidt som kanten af ​​bølgen - muliggør en stor grad af kontrol over det resulterende felt.

"Men faktisk at designe en bølgefront, der genererer et ønsket mønster, bliver mere udfordrende, når målets kompleksitet stiger, "Brown sagde." Et klart 'bedste' design er kun tilgængeligt i nogle få udvalgte tilfælde, såsom generering af et enkelt fokus. "

For at overvinde denne begrænsning, gruppen "udviklede en algoritme, der giver brugerne mulighed for at indtaste et ønsket lydfelt i 3-D, og det udsender derefter en 3D-printbar overfladeprofil, der genererer dette felt, "Brown sagde." Vores algoritme giver mulighed for præcis styring af lydens intensitet på forskellige steder og det tidspunkt, hvor lyden ankommer, gør det hurtigt og let at designe overflader eller 'linser' til en ønsket applikation. "

Brown og hans kolleger demonstrerede effektiviteten af ​​deres algoritme ved at oprette en linse designet til at generere et lydfelt formet som tallet 7. Efter at have belyst linsen med en pulserende laser, de optog lydfeltet, og den ønskede "7" var tydeligt synlig med høj kontrast.

"Det var den første demonstration af at generere en multifokal distribution af lyd ved hjælp af denne tilgang, "Sagde Brown.

Der er mange potentielle anvendelser for de skræddersyede optoakustiske profiler oprettet af gruppen. "Meget intens lyd kan forårsage opvarmning eller udøve kræfter på genstande, såsom i akustiske pincetter, "Sagde Brown." Og lignende enkeltfokus-enheder bruges allerede til spaltning af celleklynger og målrettet lægemiddellevering, så vores arbejde kan være nyttigt inden for det område. "

Gruppen er også interesseret i virkningerne af forplantning gennem væv, som introducerer forvrængninger af formen af ​​bølgefronter forårsaget af variationer i lydens hastighed. "Hvis vævsstrukturen er kendt på forhånd via billeddannelse, vores tilgang kan bruges til at korrigere for disse afvigelser, "Brown sagde." Manipulering af form og tid, hvor den fokuserede lyd genereres, kan også være nyttig til manøvrering og kontrol af biologiske celler og andre partikler. "

Fremadrettet, Brown og hans gruppe håber at undersøge brugen af ​​andre lyskilder, og hvilke fordele de kan tilbyde.

"En begrænsning af vores arbejde var brugen af ​​en enkeltpulseret laser, "Brown sagde." Dette betød, at den tidsmæssige form af lyden genereret fra prøven kun var en kort puls, hvilket begrænsede kompleksiteten af ​​de felter, der kunne genereres. I fremtiden, Vi er interesserede i at bruge alternative modulerede optiske kilder til at belyse disse enheder. "