Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Nel campo dell’imaging medico a ultrasuoni, i tradizionali trasduttori piezoelettrici non sono sempre la scelta ideale per applicazioni come l’Imaging Acusto-Ottico (PAI), dove le onde ultrasoniche vengono comunemente generate da impulsi ottici o a microonde. La natura opaca del trasduttore piezoelettrico può infatti bloccare il percorso ottico, complicando l’allineamento ottico e inducendo perdite acustiche nel caso venga utilizzato un combinatore acusto-ottico. Inoltre, la miniaturizzazione dei sensori a ultrasuoni è particolarmente rilevante per applicazioni come l’endoscopia e altre tecniche tomografiche. Tuttavia, ridurre direttamente le dimensioni dei trasduttori piezoelettrici comporta difficoltà pratiche, poiché la sensibilità diminuisce proporzionalmente alla radice quadrata dell’area di rilevamento.
Per superare questi problemi, sono stati presi in considerazione materiali trasparenti, e sono stati sviluppati trasduttori ultrasonici capacitivi micromachinati miniaturizzati. Tuttavia, le prestazioni dimostrate di questi dispositivi finora, in termini di sensibilità e larghezza di banda, non riescono ancora a soddisfare appieno le alte richieste di prestazione nell’ambito del PAI. D’altra parte, la rilevazione ottica è da lungo tempo considerata vantaggiosa per la sua alta precisione e sensibilità. Per questo motivo, i sensori ottici per ultrasuoni sono stati oggetto di attive ricerche come alternative ai trasduttori piezoelettrici in PAI. Rispetto ai tradizionali trasduttori piezoelettrici commercializzati, i sensori ottici per ultrasuoni hanno mostrato una larghezza di banda più ampia e una sensibilità quasi indipendente dalla dimensione. Grazie a questi vantaggi, i sensori ottici per ultrasuoni si presentano come una promessa importante per il futuro avanzamento del PAI.
Fino ad oggi, sono stati sviluppati diversi metodi di rilevamento ottico delle onde ultrasoniche, e numerosi articoli di revisione sui sensori ottici per ultrasuoni sono stati pubblicati. In questa sezione ci concentreremo sui sensori ottici interferometrici utilizzanti microresonatori ottici miniaturizzati, un tipo di sensore che ha dimostrato una grande sensibilità mantenendo dimensioni ridotte, offrendo un grande potenziale come una nuova generazione di sensori ad ultrasuoni sensibili e a larga banda. Successivamente, descriveremo i metodi più avanzati di interrogazione parallela per array di sensori ottici per ultrasuoni. Infine, riepilogheremo i recenti progressi nelle applicazioni del PAI con questi sensori ottici per ultrasuoni.
Sensori Ottici per Ultrasuoni con Microresonatori Ottici
Negli ultimi anni, sono stati attivamente sviluppati vari sensori ottici per ultrasuoni basati su principi di rilevamento differenti. In linea di principio, qualsiasi cambiamento nei parametri fondamentali delle onde ottiche causato dalla presenza di onde ultrasoniche può essere sfruttato come base per sensori ottici per ultrasuoni. Un esempio di ciò è la registrazione delle fluttuazioni di intensità riflesse dall’interfaccia di due media differenti causate dall’onda ultrasonica che attraversa l’interfaccia. Per aumentare la sensibilità, si può introdurre un rivestimento metallico-dielettrico all’interfaccia per eccitare la risonanza plasmonica superficiale, migliorando così l’interazione luce-ultrasuoni. Questo tipo di sensore ottico per ultrasuoni è in grado di coprire una larga banda, fino a 180 MPa, migliorando la risoluzione assiale nel PAI.
Oltre a sfruttare l’interfaccia riflettente, anche la deflessione del fascio di probatura causata dalla presenza dell’onda acustica può essere utilizzata come segnale di rilevamento. Questa deflessione, comunemente vista con un deflettore acusto-ottico, può essere quantificata utilizzando un rilevatore sensibile alla posizione. In alternativa, oltre a rilevare il cambiamento di posizione indotto dagli ultrasuoni, è possibile anche rilevare il cambiamento di fase o anche di polarizzazione indotto dagli ultrasuoni, che funge da strumento efficace per caratterizzare l’onda acustica. Per migliorare la sensibilità di rilevamento, i sistemi interferometrici ottici sono utilizzati per interrogare il cambiamento di fase delle onde ottiche indotto dagli ultrasuoni.
Interferometri Fabry-Pérot
I sensori ottici per ultrasuoni più tradizionali, come gli interferometri Fabry-Pérot, sfruttano il principio per cui l’onda ultrasonica modula la lunghezza del cammino ottico di una cavità, cambiando così la sua frequenza di risonanza. Questo design è stato utilizzato per ottenere sensibilità fino a 50 Pa e larghezze di banda fino a 40 MHz. Sebbene questo design possa essere utile per la fabbricazione di array di sensori densi, presenta la difficoltà che il fascio di probatura potrebbe deviare lateralmente ad ogni passaggio, riducendo la confinenza ottica e, quindi, la sensibilità. Per risolvere questo problema, un recente design utilizza una microcavità ottica plano-concava, che aumenta la sensibilità grazie all’uso di uno specchio concavo a onda compatibile, migliorando così la confinenza ottica del fascio che rimbalza all’interno della cavità.
Sensori a Micro-Risonatori Ottici
Tra le tecnologie più promettenti per il futuro dei sensori ottici per ultrasuoni, vi sono i micro-risonatori ottici. Questi dispositivi sono in grado di confinare la luce in volumi molto piccoli, migliorando l’interazione luce-suono e aumentando la sensibilità del sensore. Le tecnologie di microfabbricazione avanzate hanno permesso di realizzare risonatori ottici a scala micro e persino nano, rendendo questi sensori particolarmente adatti per applicazioni ad alta sensibilità e a bassa dimensione. Tra i principali tipi di micro-risonatori ottici utilizzati vi sono gli interferometri Fabry-Pérot, le gratte di Bragg a fase π e i micro-risonatori a anello, ciascuno con caratteristiche specifiche che lo rendono adatto a particolari esigenze in applicazioni di imaging acusto-ottico.
La possibilità di miniaturizzare questi sensori ottici mantiene il vantaggio di una grande sensibilità, ma con dimensioni ridotte che sono cruciali per applicazioni come l’endoscopia o altre tecniche non invasive di imaging a livello microscopico. Inoltre, la miniaturizzazione di questi sensori può portare a dispositivi economici e facilmente implementabili in array per l’imaging parallelo, aumentando ulteriormente le possibilità di applicazione.
L’evoluzione dei sensori ottici per ultrasuoni con risonatori ottici micro-miniaturizzati rappresenta un punto di svolta nell’ambito dell’imaging ad ultrasuoni, aprendo la strada a nuove tecniche di rilevamento ad alta precisione e a banda larga, capaci di soddisfare le esigenze sempre più complesse delle applicazioni mediche e scientifiche.
Come la Tecnica di Imaging Ottico CUBIC Potenzia l'Imaging Biologico: Approfondimenti sull'Imaging a Ultrasuoni e Ottico per la Medicina
L'imaging ottico ha fatto significativi progressi nell'analisi dei tessuti biologici, soprattutto grazie all'uso di tecniche avanzate come il CUBIC (Clear, Unobstructed Brain/Body Imaging Cocktails and Computational Analysis). Questa innovativa metodologia di "clearing" dei campioni, che consiste nel rimuovere lipidi e pigmenti, ha reso possibile un miglioramento sostanziale delle immagini ottenute con il sistema UV-PAM (Ultrasound and Optical Photoacoustic Microscopy). L'eliminazione dei lipidi e dei pigmenti, che assorbono fortemente la luce UV, ha infatti permesso di ottenere un contrasto notevolmente superiore e una profondità di imaging migliorata, con un incremento delle prestazioni della UV-PAM che si è tradotto in una visualizzazione più dettagliata delle strutture cellulari.
In uno studio recente, sono stati confrontati campioni di cervello di topo ottenuti con e senza il trattamento di clearing. I risultati mostrano che, senza clearing, le immagini UV-PAM soffrivano di un alto rumore di fondo dovuto alla presenza di lipidi e pigmenti. Questo riduceva la capacità di distinguere i nuclei cellulari dallo sfondo. Con il clearing, tuttavia, i nuclei cellulari sono stati facilmente risolti e la qualità dell'immagine è migliorata di circa tre volte rispetto al rapporto segnale-rumore. Inoltre, la tecnica di clearing ha consentito di esplorare una maggiore profondità dei campioni, rendendo visibili più strati di nuclei cellulari e rivelando una risoluzione tridimensionale che prima risultava difficile ottenere.
L'immagine delle sezioni di cervello di topo, ottenuta prima e dopo il clearing, ha evidenziato la capacità della UV-PAM di penetrare strati più profondi nei campioni trattati, permettendo una visualizzazione più accurata delle strutture biologiche a livelli multipli. Questo approccio consente di ottenere immagini più chiare e dettagliate di organi e tessuti, un vantaggio fondamentale nell'ambito delle indagini biologiche e cliniche.
Tuttavia, uno degli aspetti critici nella realizzazione delle immagini di qualità con la UV-PAM è la limitazione della risoluzione assiale rispetto a quella laterale. La UV-PAM tradizionale, in particolare quella a vista singola, presenta una risoluzione anisotropa: la risoluzione laterale è estremamente fine, grazie all'uso di lunghezze d'onda UV e alla messa a fuoco ottica, ma la risoluzione assiale, determinata dalla larghezza della banda del trasduttore ultrasonico, è generalmente più limitata. Per affrontare questa disparità, è stato sviluppato un sistema innovativo chiamato DV-OR-PAM (Dual-View Optical-Resolution Photoacoustic Microscopy), che utilizza due fasci UV per illuminare il campione da angolazioni ortogonali. Questo approccio migliora la risoluzione assiale e riduce l'ansotropia della risoluzione, permettendo una visualizzazione più equilibrata e precisa delle strutture tridimensionali.
Il DV-OR-PAM funziona acquisendo due immagini da due angoli diversi, che vengono successivamente registrate e combinate tramite una trasformazione affine. Questo processo, che include correzioni per la deformazione e il movimento, consente di ottenere una singola immagine ad alta risoluzione e isotropica. L'analisi quantitativa delle informazioni cellulari tridimensionali è così notevolmente migliorata, con applicazioni promettenti nell'analisi dei nuclei cellulari e nella diagnosi precoce delle patologie.
In un altro ambito, il sistema UV-PAM a modalità riflessione è stato sviluppato per applicazioni cliniche. Mentre la modalità a trasmissione è utile per campioni sottili e trasparenti, la modalità riflessione si presta meglio per tessuti biologici spessi, come quelli umani, poiché consente di ottenere immagini di campioni più densi senza la necessità di processi complicati. Recentemente, è stato introdotto un sistema di UV-PAM che integra un trasduttore ultrasonico a forma di anello, rendendo l'intero sistema più semplice e flessibile. Il trasduttore a forma di anello, con una struttura cava al centro, permette di mantenere la luce UV inalterata durante la scansione, garantendo alta risoluzione e sensibilità.
Un altro esempio di questa tecnologia è il sistema MEMS-UV-PAM, che ha dimostrato un'elevata velocità di imaging, utile per l'imaging in tempo reale dei tessuti biologici umani. In uno studio, questo sistema è stato utilizzato per esaminare tessuti di colon di pazienti oncologici, mostrando immagini pseudo-colorate di alta qualità che erano perfettamente sovrapponibili alle immagini ottenute con la tradizionale microscopia a campo luminoso dopo colorazione H&E (ematossilina-eosina). Queste immagini, che rivelano caratteristiche istologiche sia nei tessuti sani che in quelli tumorali, hanno confermato l'utilità del sistema come strumento per la patologia intraoperatoria.
Le potenzialità di queste tecniche non si limitano all'analisi dei tessuti biologici, ma si estendono anche alla medicina clinica, dove il miglioramento nella qualità dell'imaging potrebbe portare a diagnosi più accurate e a una comprensione più profonda delle malattie a livello cellulare e tissutale. L'integrazione di tecnologie avanzate come la combinazione ottico-acustica e la scansione ad alta risoluzione rappresenta una frontiera entusiastica nell'imaging medico, con applicazioni che potrebbero rivoluzionare il campo della diagnostica e della ricerca biomedica.
Le applicazioni in clinica di queste tecniche, come il MEMS-UV-PAM, mostrano anche il potenziale per ridurre la necessità di biopsie invasive, offrendo immagini ad alta risoluzione che possono guidare la chirurgia e il trattamento oncologico. In questo contesto, la possibilità di ottenere immagini dettagliate e senza marcatori di alta qualità rappresenta un passo fondamentale verso una medicina più precisa e meno invasiva.
Imaging Fotoacustico per Dispositivi Interventistici nelle Procedure Mediche Minimamente Invasive
La crescente necessità di diagnosticare e trattare le malattie in modo meno invasivo ha dato origine a un miglioramento delle tecniche di imaging mediche. Le procedure minimamente invasive, come le biopsie, le anestesie regionali, le chirurgia fetale e la brachiterapia, richiedono un supporto visivo preciso per garantire il corretto posizionamento degli strumenti e l'identificazione delle aree target. Sebbene diverse modalità di imaging, come l'endoscopia, la risonanza magnetica (MRI), la tomografia computerizzata (CT), la fluoroscopia e l'ecografia, siano comunemente impiegate nella pratica clinica, ogni tecnica ha limitazioni intrinseche.
L'ecografia, ad esempio, pur essendo ampiamente usata per guidare le procedure minimamente invasive grazie alla sua accessibilità e real-time imaging, presenta dei limiti nel contrasto tessutale, soprattutto quando si tratta di identificare con precisione aree profonde o di visualizzare dispositivi interventistici. La fluoroscopia, sebbene utile, comporta un'esposizione alle radiazioni ionizzanti, che, con un uso prolungato, può risultare dannosa sia per il paziente che per l'operatore.
L'imaging fotoacustico (PA), una tecnologia emergente che combina l'assorbimento ottico e l'ecografia, si sta rivelando una delle modalità di imaging più promettenti per il supporto intraoperatorio. Il principio dell'imaging PA si basa sull'assorbimento della luce da parte dei cromofori nei tessuti biologici, che provoca un aumento locale della temperatura e una successiva espansione termica. Questo genera onde ultrasoniche che possono essere raccolte da una sonda ecografica, formando un'immagine delle distribuzioni di assorbimento ottico.
Una delle caratteristiche più significative dell'imaging PA è la sua capacità di distinguere i tessuti biologici con un contrasto spettroscopico derivato sia dai cromofori endogeni che da eventuali agenti di contrasto esogeni. Inoltre, la combinazione dell'imaging PA con l'ecografia consente di ottenere informazioni strutturali integrate con dettagli molecolari, potenziando ulteriormente la capacità diagnostica e il supporto durante le procedure minimamente invasive.
Un vantaggio cruciale dell'imaging PA è la sua capacità di visualizzare dispositivi interventistici metallici. I dispositivi medici come aghi, cateteri e impianti metallici, che sono frequentemente utilizzati nelle procedure minimamente invasive, presentano una sfida significativa per altre tecniche di imaging, in particolare per l'ecografia, che fatica a visualizzarli correttamente a causa dei riflessi e delle artefatti acustici. L'alta assorbenza ottica dei metalli, tuttavia, rende l'imaging PA particolarmente adatto per identificare questi dispositivi durante le procedure.
Nel caso degli aghi metallici, utilizzati per l'anestesia regionale o per la gestione del dolore, l'imaging PA è in grado di fornire immagini chiare e precise dell'ago inserito nel tessuto, anche se il dispositivo è inserito a profondità significative. Questo non solo aiuta a garantire il corretto posizionamento dell'ago, ma riduce anche i rischi associati a una cattiva localizzazione, come danni ai nervi o ai vasi sanguigni.
Inoltre, la tecnologia PA si sta rivelando utile anche per dispositivi più complessi, come i cateteri per l'ablazione a radiofrequenza (RFA) e i semi di brachiterapia impiantati nella prostata. Questi dispositivi metallici, di dimensioni minime, possono essere difficili da visualizzare con altre modalità di imaging a causa della loro piccola dimensione e della loro alta densità metallica. Tuttavia, l'imaging fotoacustico è in grado di evidenziare chiaramente la loro posizione, migliorando la precisione dell'intervento e riducendo i rischi di errore.
Un altro campo di applicazione dell'imaging PA è rappresentato dagli stent coronarici. Gli stent, utilizzati per trattare le malattie aterosclerotiche, sono dispositivi metallici che vengono impiantati nelle arterie coronarie per mantenere aperti i vasi sanguigni ostruiti. Grazie alla sensibilità dell'imaging PA, è possibile monitorare in tempo reale la posizione e il corretto posizionamento degli stent durante la procedura, garantendo un risultato ottimale e riducendo la possibilità di complicazioni.
Oltre alla visualizzazione dei dispositivi interventistici, l'imaging PA ha il potenziale di migliorare la qualità generale delle procedure minimamente invasive grazie alla sua capacità di fornire immagini di alta qualità in tempo reale, con risoluzione sub-millimetrica e profondità di penetrazione nei tessuti fino a centimetri. Queste caratteristiche la rendono una tecnologia ideale per il monitoraggio e la guida delle procedure minimamente invasive, in particolare in situazioni in cui la precisione è fondamentale.
Infine, è importante notare che, nonostante i vantaggi significativi, l'imaging PA non è privo di limitazioni. Una delle principali sfide è rappresentata dalla necessità di un'illuminazione adeguata, che può essere difficile da ottenere durante le procedure cliniche, soprattutto quando si opera in ambienti sterili o in spazi angusti. Inoltre, la tecnologia è ancora in fase di sviluppo, e ci sono margini di miglioramento per quanto riguarda l'integrazione con altre modalità di imaging e l'automazione del processo di acquisizione delle immagini.
L'integrazione dell'imaging fotoacustico con altre tecnologie, come l'ecografia o la risonanza magnetica, potrebbe ulteriormente ampliare le sue applicazioni cliniche, migliorando l'efficacia delle procedure minimamente invasive e riducendo al minimo i rischi per i pazienti. In questo contesto, l'imaging PA non rappresenta solo un avanzamento tecnologico, ma anche un passo verso una medicina sempre più precisa, personalizzata e sicura.
Come la Microscopia Fotoacustica Sta Trasformando l'Imaging Biomedico
La microscopia fotoacustica (PAM) rappresenta una delle innovazioni più promettenti nel campo dell'imaging biomedico. Grazie alla sua capacità di combinare la risoluzione ottica con la penetrazione acustica, la PAM consente di esplorare i tessuti biologici a una profondità che supera i limiti delle tradizionali tecniche di microscopia ottica. In un campo in rapida evoluzione come quello dell'imaging, la microscopia fotoacustica si distingue per la sua capacità di fornire un contrasto unico basato sull'assorbimento ottico e per la sua risoluzione spaziale superiore, offrendo informazioni fondamentali a livello anatomico, funzionale e molecolare.
Il principio alla base della PAM è relativamente semplice: l'imaging fotoacustico sfrutta l'assorbimento della luce da parte dei tessuti biologici. Quando un materiale assorbe fotoni, una parte di questa energia viene convertita in calore, generando onde acustiche (onde ultrasoniche) che possono essere rilevate da sensori appositi. Le immagini risultanti non solo presentano un'alta risoluzione spaziale, ma sono anche in grado di penetrare a profondità che sono al di fuori della portata delle tecniche ottiche tradizionali, come la microscopia confocale o a fluorescenza.
Nel corso degli ultimi decenni, la microscopia fotoacustica ha acquisito popolarità grazie alla sua capacità di fornire informazioni sia anatomiche che funzionali. Rispetto ad altri metodi di imaging, come la tomografia a raggi X o la risonanza magnetica, la PAM si distingue per la sua sensibilità molecolare. È particolarmente utile in applicazioni che richiedono l'imaging a livello cellulare, come l'identificazione di biomarcatori del cancro o la visualizzazione di lesioni aterosclerotiche, dove l'accuratezza nella rappresentazione dei processi biologici è cruciale.
Un altro vantaggio della PAM è la sua versatilità. Essa può essere utilizzata sia in ambito preclinico che clinico, grazie alla sua capacità di generare immagini di alta qualità senza la necessità di contrasti esogeni invasivi. Ad esempio, è possibile ottenere immagini funzionali in tempo reale utilizzando biomolecole endogene, come l'emoglobina, che naturalmente assorbe la luce. In questo modo, la PAM permette di ottenere un'analisi dettagliata del flusso sanguigno e della perfusione tissutale, fornendo informazioni cruciali per diagnosi e monitoraggio terapeutico.
La PAM si divide in due principali categorie: la microscopia a risoluzione ottica e quella a risoluzione acustica. La prima si concentra sull'ottenimento di immagini ad altissima risoluzione, mentre la seconda è più orientata alla penetrazione in profondità, permettendo di esplorare anche strutture più profonde nei tessuti biologici. Entrambe le tecniche offrono vantaggi unici a seconda delle necessità diagnostiche, e la scelta tra l'una e l'altra dipende dalle specifiche applicazioni cliniche o di ricerca.
Le applicazioni biomediche della PAM sono ampie e diversificate. Oltre alla visualizzazione anatomica, la microscopia fotoacustica ha trovato applicazione nell'imaging funzionale e molecolare. Una delle aree emergenti è l'uso di agenti di contrasto mirati che possono essere utilizzati per migliorare la visualizzazione di tessuti o strutture specifiche. L'integrazione di agenti di contrasto esogeni permette di ottenere informazioni ancora più dettagliate sui processi biologici, come la concentrazione di specifiche molecole nel corpo umano, che possono essere rilevanti per la diagnosi precoce di malattie come il cancro o per la valutazione di terapie mirate.
Nonostante questi avanzamenti, ci sono sfide da affrontare. La microscopia fotoacustica richiede una tecnologia sofisticata per la generazione e la rilevazione dei segnali fotoacustici. Inoltre, la qualità delle immagini dipende da vari fattori, tra cui la precisione del rilevamento acustico e la potenza della sorgente ottica. Tuttavia, la ricerca continua a progredire, migliorando costantemente le tecnologie e ampliando le potenzialità della PAM.
Per il lettore, è fondamentale comprendere non solo le caratteristiche e i vantaggi della microscopia fotoacustica, ma anche i suoi limiti. Nonostante la sua capacità di penetrazione superiore rispetto alle tecniche ottiche tradizionali, la PAM ha ancora alcune limitazioni in termini di risoluzione e profondità di imaging, specialmente quando si tratta di strutture molto profonde o di piccole dimensioni. Inoltre, la necessità di apparecchiature sofisticate e costose potrebbe limitare l'accessibilità di questa tecnologia in ambienti clinici meno avanzati.
In aggiunta, sebbene la PAM sia in grado di offrire informazioni straordinarie in tempo reale, l'interpretazione dei dati richiede competenze avanzate. La combinazione di immagini fotoacustiche con altre modalità di imaging, come la risonanza magnetica o la tomografia a emissione di positroni (PET), potrebbe aprire nuove strade per una comprensione più completa dei processi biologici a livello molecolare. La fusione di queste tecniche potrebbe potenzialmente superare le sfide esistenti, migliorando l'affidabilità e la precisione diagnostica.
Quali sono le innovazioni nella tecnologia dei trasduttori a ultrasuoni ottici basati su materiali nanostrutturati?
Nel campo della rilevazione ottica degli ultrasuoni (OpUS), l'uso di materiali nanostrutturati ha portato a significativi miglioramenti nelle prestazioni dei trasduttori. Una delle innovazioni principali è rappresentata dalla creazione di cavità ottiche tra nanostrutture di oro e uno strato di oro, che presenta coefficienti di riflettività ottica elevati. Questa configurazione ha reso possibile la creazione di un etalon ottico, un dispositivo che consente una rilevazione ottica precisa degli ultrasuoni. In particolare, il trasduttore a ultrasuoni completamente ottico basato su un composito Au-PDMS ha registrato una larghezza di banda di 57 MHz con una frequenza centrale di 40 MHz, con pressioni acustiche fino a 67 kPa misurate a 10 mm dalla superficie del composito, utilizzando una pulsazione laser di 5 ns a una fluence di 26 mJ cm−2. Quando la fluence del laser è stata aumentata fino a 5,1 J cm−2, corrispondente alla soglia di danno del composito, le pressioni acustiche raggiungevano 1 MPa a 3 mm nella zona lontana. Questo rappresenta il primo trasduttore a ultrasuoni completamente ottico in grado di utilizzare le proprietà selettive della lunghezza d'onda delle nanoparticelle d'oro, permettendo immagini ad alta frequenza degli ultrasuoni all'interno di un dispositivo integrato.
Un altro progresso significativo è stato il miglioramento della frequenza degli ultrasuoni generati dal trasduttore, con un rapporto segnale-rumore teorico superiore a 40 dB, maggiore rispetto ai dispositivi precedenti. L'innovazione del trasduttore Au-PDMS si distingue in quanto non solo aumenta la frequenza di generazione degli ultrasuoni, ma consente anche una maggiore efficienza di rilevamento rispetto ai sistemi precedenti. Ad esempio, rispetto al lavoro di O'Donnell et al. (2008), il nuovo trasduttore ha mostrato capacità superiori nella generazione di ultrasuoni a frequenze più alte e con un miglior rapporto segnale-rumore. La capacità di generare e rilevare ultrasuoni ad alta frequenza ha permesso al trasduttore di effettuare immagini, come quella di un filo o di un capello umano, aprendo nuove possibilità per applicazioni mediche e industriali.
Per semplificare la fabbricazione dei compositi Au-PDMS, Wu et al. hanno esplorato un metodo di sintesi "in situ", che riduce il reagente d'oro a nanoparticelle all'interno della matrice di PDMS. Questo approccio ha garantito una distribuzione uniforme delle nanoparticelle d'oro nel PDMS e ha migliorato il trasferimento termico tra i due componenti, consentendo un migliore controllo sull'assorbimento ottico del composito e sulla sua spessore. I compositi ottenuti mostrano una caratteristica colorazione rosso rubino, e la concentrazione di oro nel PDMS non influiva significativamente sulla dimensione delle nanoparticelle. Le misurazioni hanno evidenziato che un composito con il 1,79% in peso di oro raggiunge una maggiore efficienza di conversione fotoacustica rispetto a un film standard di alluminio. In particolare, la pressione acustica generata dal composito è stata misurata in 189,49 kPa con una densità di energia del laser di 13 mJ cm−2 e una durata del pulse di 150 ns.
A sua volta, l’innovazione dei compositi PCM (Photonic Crystal-Metallic) ha portato a un significativo miglioramento nell’efficienza di assorbimento ottico. In un dispositivo PCM, la luce laser in ingresso viene riflessa all’interno della struttura attraverso riflessione totale interna, agendo come una cavità Fabry-Pérot (FP), che aumenta l’assorbimento della luce incidente e consente una generazione di ultrasuoni più potente. I dispositivi PCM-Au-PDMS hanno generato pressioni acustiche dieci volte superiori a quelle dei compositi Au-PDMS bidimensionali precedentemente sviluppati, con una larghezza di banda di 78 MHz. Questo design ha anche permesso di utilizzare impulsi laser ad angolo, evitando danni termici all'oggetto da esaminare e permettendo di generare pressioni acustiche più elevate senza danneggiare il materiale sottoposto a esame.
L'uso di nanoparticelle carboniose, in particolare i nanotubi di carbonio (CNT), è un altro campo promettente. I CNT, grazie alla loro piccola dimensione, alto rapporto di aspetto e elevate conduttività termiche, sono particolarmente adatti per la creazione di compositi in grado di generare alte pressioni acustiche. I compositi CNT-PDMS, caratterizzati da nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT), hanno mostrato pressioni acustiche superiori rispetto ai compositi Au-PDMS, con un'efficienza di trasferimento del calore migliore. Un esempio di applicazione è rappresentato dai compositi a bilayer MWCNT-PDMS, che hanno generato pressioni acustiche 14 dB superiori rispetto ai compositi Au-PDMS e 25 dB superiori rispetto ai film standard di cromo.
Queste innovazioni non solo migliorano le prestazioni dei trasduttori a ultrasuoni ottici, ma anche la versatilità e la portabilità di tali dispositivi. La possibilità di utilizzare materiali nanostrutturati come l'oro e il carbonio per generare ultrasuoni attraverso impulsi ottici apre nuove strade nell'imaging medico, nella diagnostica e nelle applicazioni industriali. Le proprietà selettive delle lunghezze d'onda delle nanoparticelle, unite alla capacità di modulare l'assorbimento ottico, permettono di ottenere immagini più precise e dettagliate, con applicazioni che spaziano dalla visualizzazione di strutture biologiche fino alla valutazione di materiali industriali.
Questi sviluppi sono particolarmente rilevanti in un'era in cui l'integrazione di più funzioni in dispositivi compatti sta diventando una necessità. La combinazione di tecnologie ottiche e ultrasoniche in un singolo dispositivo potrebbe semplificare la diagnostica e l'imaging, riducendo la necessità di attrezzature complesse e costose, con notevoli vantaggi in termini di costi e accessibilità.