La microscopía acústica es una microscopía que emplea ultrasonidos de frecuencia muy alta o ultraalta . Los microscopios acústicos funcionan de manera no destructiva y penetran la mayoría de los materiales sólidos para generar imágenes visibles de las características internas, incluidos defectos como grietas, delaminaciones y huecos .
El concepto de microscopía acústica se remonta a 1936, cuando S. Ya. Sokolov [1] propuso un dispositivo para producir vistas ampliadas de estructuras con ondas sonoras de 3 GHz. Sin embargo, debido a las limitaciones tecnológicas de la época, no se pudo construir un instrumento de ese tipo, y no fue hasta 1959 que Dunn y Fry [2] realizaron los primeros experimentos de microscopía acústica, aunque no a frecuencias muy altas.
La literatura científica muestra muy pocos avances hacia un microscopio acústico después de los experimentos de Dunn y Fry hasta aproximadamente 1970, cuando surgieron dos grupos de actividad, uno encabezado por CF Quate (Universidad de Stanford) y el otro por A. Korpel y LW Kessler (Zenith Radio Research Labs). Los primeros esfuerzos para desarrollar un microscopio acústico operacional se concentraron en adaptaciones de alta frecuencia de métodos de visualización ultrasónica de baja frecuencia. Uno de los primeros sistemas empleaba imágenes por difracción de Bragg [3] , que se basa en la interacción directa entre un campo de ondas acústicas y un haz de luz láser. Otro ejemplo se basaba en variaciones de la celda de Pohlman [4] . El dispositivo original se basa en una suspensión de partículas asimétricas en una fina capa de fluido que, cuando actúa sobre ellas la energía acústica, produce cambios visuales de reflectividad. Cunningham y Quate [5] lo modificaron suspendiendo pequeñas esferas de látex en un fluido. La presión acústica causaba cambios de población que eran visualmente detectables. Kessler y Sawyer [6] desarrollaron una celda de cristal líquido que permitía detectar el sonido mediante la orientación hidrodinámica del fluido. En 1973, el grupo Quate comenzó el desarrollo de un concepto, [7] que utilizó el primer microscopio acústico de barrido (SAM) con un par confocal de lentes ultrasónicas de 50 MHz para enfocar y detectar la energía ultrasónica. En 1974, este concepto fue realizado por RA Lemons y CF Quate en el Laboratorio de Microondas de la Universidad de Stanford . Los avances de este instrumento, un microscopio acústico de barrido, tienen que ver con el logro de una resolución muy alta, nuevos modos de obtención de imágenes y aplicaciones. El SAM fue introducido comercialmente por Leitz Corp y por Olympus Corp. En 1970, el grupo Korpel y Kessler comenzó a buscar un sistema de detección láser de barrido para microscopía acústica. [8] En 1974, la actividad se trasladó a otra organización bajo Kessler (Sonoscan Inc), donde se desarrollaron los aspectos prácticos del instrumento. Este instrumento, el microscopio acústico láser de barrido (SLAM), se comercializó en 1975. [9]
En 1980, el primer SAM de modo de transmisión directa de alta resolución (con una frecuencia de hasta 500 MHz) fue construido por Roman Maev y sus estudiantes en su Laboratorio de Introscopia Biofísica de la Academia Rusa de Ciencias . [10] El primer SAM comercial ELSAM con un amplio rango de frecuencia de 100 MHz hasta ultra altos 1,8 GHz fue construido en Ernst Leitz GmbH (Wetzlar, Alemania) por el grupo dirigido por Martin Hoppe y sus consultores Abdullah Atalar (Universidad de Stanford, EE. UU.), Roman Maev ( Academia Rusa de Ciencias , Rusia).
Al mismo tiempo, en 1984, el grupo de Kessler completó el desarrollo del instrumento conceptual C-SAM [11] , que funcionaba en modo de reflexión y en modo de transmisión directa (solamente) del SLAM. El uso del mismo transductor para pulsar ultrasonidos y recibir los ecos de retorno significaba que la imagen acústica podía limitarse fácilmente a una profundidad de interés. Este diseño fue el precursor de prácticamente todos los microscopios acústicos que se utilizan hoy en día y fue el desarrollo que hizo posible numerosos avances posteriores, como la obtención de imágenes acústicas transversales, la obtención de imágenes acústicas tridimensionales y otras.
Desde entonces, se han realizado muchas mejoras en los sistemas de microscopía acústica para mejorar la resolución, la calidad de la imagen y la precisión. [12] [13] [14]
En el medio siglo transcurrido desde los primeros experimentos que condujeron directamente al desarrollo de los microscopios acústicos, se han desarrollado al menos tres tipos básicos de microscopios acústicos: el microscopio acústico de barrido (SAM), el microscopio acústico de barrido confocal (CSAM) y el microscopio acústico de barrido en modo C (C-SAM). [15]
Más recientemente, los microscopios acústicos basados en sistemas ultrasónicos de picosegundos han demostrado la obtención de imágenes acústicas en células utilizando longitudes de onda subópticas que trabajan con frecuencias ultrasónicas de varios GHz. Dado que la gran mayoría de los microscopios acústicos que se utilizan hoy en día son instrumentos de tipo C-SAM, este análisis se limitará a estos instrumentos. [16]
El ultrasonido se define en términos generales como cualquier sonido que tenga una frecuencia superior a 20 kHz, que es aproximadamente la frecuencia más alta que puede detectar el oído humano. Sin embargo, los microscopios acústicos emiten ultrasonidos que van desde 5 MHz hasta más de 400 MHz, de modo que se puede lograr una resolución de tamaño micrométrico. El ultrasonido que penetra en una muestra puede dispersarse, absorberse o reflejarse por las características internas o el propio material. Estas acciones son análogas al comportamiento de la luz. El ultrasonido que se refleja desde una característica interna o (en algunas aplicaciones) que ha viajado a través de todo el espesor de la muestra se utiliza para crear imágenes acústicas.
Las muestras no necesitan un tratamiento especial antes de la obtención de imágenes acústicas, pero deben poder soportar al menos una breve exposición al agua o a otro fluido, ya que el aire es un transmisor muy deficiente de la energía acústica de alta frecuencia del transductor. La muestra puede sumergirse completamente en el agua o escanearse con un chorro estrecho de agua. Alternativamente, se pueden utilizar alcoholes y otros fluidos para no contaminar la muestra. Las muestras suelen tener al menos una superficie plana que se puede escanear, aunque las muestras cilíndricas y esféricas también se pueden escanear con los accesorios adecuados. En los párrafos siguientes, la muestra que se describe es un circuito integrado encapsulado en plástico.
Las frecuencias ultrasónicas que se pulsan en las muestras mediante los transductores de los microscopios acústicos varían desde un mínimo de 10 MHz (raramente, 5 MHz) hasta un máximo de 400 MHz o más. En todo este espectro de frecuencias existe un equilibrio entre penetración y resolución . Los ultrasonidos a frecuencias bajas, como 10 MHz, penetran más profundamente en los materiales que los ultrasonidos a frecuencias más altas, pero la resolución espacial de la imagen acústica es menor. Por otro lado, los ultrasonidos a frecuencias muy altas no penetran profundamente, pero proporcionan imágenes acústicas con una resolución muy alta. La frecuencia elegida para obtener imágenes de una muestra en particular dependerá de la geometría de la pieza y de los materiales involucrados.
La imagen acústica del CI encapsulado en plástico que se muestra a continuación se realizó utilizando un transductor de 30 MHz porque esta frecuencia proporciona un buen compromiso entre la penetración y la resolución de la imagen.
El transductor ultrasónico escanea la superficie superior de la muestra. Varios miles de pulsos entran en la muestra cada segundo. Cada pulso puede dispersarse o absorberse al pasar por partes homogéneas de la muestra. En las interfaces de los materiales, una parte del pulso se refleja de vuelta al transductor, donde se recibe y se registra su amplitud.
La parte del pulso que se refleja está determinada por la impedancia acústica , Z, de cada material que se encuentra en la interfaz. La impedancia acústica de un material determinado es la densidad del material multiplicada por la velocidad del ultrasonido en ese material. Cuando un pulso de ultrasonido encuentra una interfaz entre dos materiales, el grado de reflexión ultrasónica de esa interfaz está determinado por esta fórmula:
donde R es la fracción de reflexión, y z 1 y z 2 son las impedancias acústicas de los dos materiales, análogas al índice de refracción en la propagación de la luz.
Si ambos materiales son sólidos típicos, el grado de reflexión será moderado y una parte significativa del pulso viajará más profundamente en la muestra, donde puede ser reflejado en parte por interfaces de materiales más profundas. Si uno de los materiales es un gas como el aire, como en el caso de las delaminaciones, grietas y huecos, el grado de reflexión en la interfaz sólido-gas es cercano al 100%, la amplitud del pulso reflejado es muy alta y prácticamente ninguno del pulso viaja más profundamente en la muestra.
Un pulso de ultrasonidos del transductor viaja nanosegundos o microsegundos para alcanzar una interfaz interna y se refleja de vuelta al transductor. Si hay varias interfaces internas a diferentes profundidades, los ecos llegan al transductor en diferentes momentos. Las imágenes acústicas planas no suelen utilizar todos los ecos de retorno de todas las profundidades para crear la imagen acústica visible. En cambio, se crea una ventana de tiempo que acepta solo los ecos de retorno de la profundidad de interés. Este proceso se conoce como "selección" de los ecos de retorno.
Finalmente, se dio vuelta el circuito integrado encapsulado en plástico y se tomó una imagen desde el lado posterior. Los ecos de retorno se ajustaron a la profundidad en la que el compuesto de moldeo del lado posterior interactúa con el lado posterior de la paleta de la matriz. Los pequeños puntos negros en la imagen acústica anterior son pequeños huecos (burbujas atrapadas) en el compuesto de moldeo.
Las imágenes acústicas que se muestran arriba son todas imágenes planas, llamadas así porque hacen visible un plano horizontal dentro de la muestra. Los datos acústicos recibidos en las señales de eco de retorno también se pueden utilizar para crear otros tipos de imágenes, incluidas imágenes tridimensionales, imágenes transversales e imágenes de escaneo continuo.
Las muestras obtenidas mediante microscopios acústicos son típicamente conjuntos de uno o más materiales sólidos que tienen al menos una superficie plana o curvada regularmente. La profundidad de interés puede implicar una unión interna entre materiales, o una profundidad en la que puede ocurrir un defecto en un material homogéneo. Además, las muestras pueden caracterizarse sin obtención de imágenes para determinar, por ejemplo, su impedancia acústica.
Debido a su capacidad para encontrar y visualizar características de manera no destructiva, los microscopios acústicos se utilizan ampliamente en la producción de componentes y conjuntos electrónicos para el control de calidad, la confiabilidad y el análisis de fallas. Por lo general, el interés se centra en encontrar y analizar defectos internos como delaminaciones, grietas y huecos, aunque un microscopio acústico también se puede utilizar simplemente para verificar (mediante la caracterización del material o la obtención de imágenes, o ambas) que una pieza determinada o un material determinado cumple con las especificaciones o, en algunos casos, no es una falsificación. [17] Los microscopios acústicos también se utilizan para obtener imágenes de placas de circuitos impresos [18] y otros conjuntos.
Además, existen numerosas aplicaciones fuera de la electrónica. En muchas industrias, se pueden obtener imágenes acústicas de productos que incluyen tubos, materiales cerámicos, materiales compuestos o diversos tipos de uniones adheridas, incluidas capas adhesivas y diferentes soldaduras.
El ensamblaje de numerosos productos médicos utiliza microscopios acústicos para investigar las uniones y características internas. Por ejemplo, se puede obtener una imagen de una película de polímero para examinar su unión a una placa de plástico multicanal utilizada en el análisis de sangre. El microscopio acústico puede proporcionar datos sobre la elasticidad de las células y de los tejidos duros y blandos, lo que puede dar información útil sobre las fuerzas físicas que mantienen las estructuras en una forma particular y la mecánica de estructuras como el citoesqueleto . [3] [4] Estos estudios son particularmente valiosos para investigar procesos como la motilidad celular . [5] [6]
Diferentes grupos en el mundo iniciaron otra dirección prometedora para diseñar y construir SAM portátiles de mano para imágenes 3D subsuperficiales y diagnósticos de tejidos blandos y duros [16] [19] y esta dirección actualmente se está desarrollando con éxito con el objetivo de implementar esos métodos en la práctica clínica y cosmetológica.
También durante la última década se expresó un interés en aplicar métodos de microscopía acústica para la inspección no invasiva en 3D de las capas de pintura de obras de arte pintadas y otros objetos de patrimonio artístico y cultural. [20] [21]
