La microscopía acústica es una microscopía que emplea ultrasonidos de muy alta o ultra alta frecuencia . Los microscopios acústicos funcionan de forma no destructiva y penetran en la mayoría de los materiales sólidos para hacer visibles imágenes de 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 ningún instrumento de este 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 laboratorios de investigación). Los primeros esfuerzos para desarrollar un microscopio acústico operativo se concentraron en adaptaciones de alta frecuencia de métodos de visualización ultrasónica de baja frecuencia. Uno de los primeros sistemas empleaba imágenes de 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 basó 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 ella la energía acústica, produce cambios de reflectividad visual. Cunningham y Quate [5] modificaron esto suspendiendo pequeñas esferas de látex en un fluido. La presión acústica provocó cambios de población que fueron detectables visualmente. 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 a desarrollar un concepto [7] que utilizaba 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 lograr una resolución muy alta, modos novedosos de obtención de imágenes y aplicaciones. El SAM fue introducido comercialmente por Leitz Corp y Olympus Corp. En 1970, el grupo Korpel y Kessler comenzaron a buscar un sistema de detección por láser de barrido para microscopía acústica. [8] En 1974, la actividad se trasladó a otra organización bajo Kessler (Sonoscan Inc), donde se desarrollaron aspectos prácticos del instrumento. Este instrumento, el microscopio acústico con láser de barrido (SLAM), estuvo disponible comercialmente en 1975. [9]
En 1980, Roman Maev y sus estudiantes construyeron el primer SAM en modo de transmisión directa de alta resolución (con una frecuencia de hasta 500 MHz) en su Laboratorio de Introscopia Biofísica de la Academia de Ciencias de Rusia . [10] El primer SAM comercial ELSAM con un amplio rango de frecuencia desde 100 MHz hasta 1,8 GHz ultra alto fue construido en Ernst Leitz GmbH (Wetzlar, Alemania) por el grupo liderado por Martin Hoppe y sus consultores Abdullah Atalar (Stanford Univ., EE.UU.), Roman Maev ( Academia de Ciencias de Rusia , Rusia).
Al mismo tiempo, en 1984, el grupo de Kessler completó el desarrollo del instrumento conceptual C-SAM [11] que operaba en el modo de reflexión, así como en el modo de transmisión (únicamente) del SLAM. El uso del mismo transductor para emitir impulsos de ultrasonido y recibir los ecos de retorno significó que la imagen acústica podría limitarse fácilmente a una profundidad de interés. Este diseño fue el precursor de prácticamente todos los microscopios acústicos que se utilizan en la actualidad, y fue el desarrollo que hizo posibles numerosos avances posteriores, como la obtención de imágenes acústicas transversales, las imágenes acústicas tridimensionales y otros.
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. Estos son 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 imágenes acústicas en células utilizando longitudes de onda subópticas que trabajan con frecuencias ultrasónicas en varios GHz. Dado que la gran mayoría de los microscopios acústicos que se utilizan hoy en día son instrumentos del tipo C-SAM, esta discusión se limitará a estos instrumentos. [dieciséis]
El ultrasonido se define en términos generales como cualquier sonido que tiene 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 para que se pueda lograr una resolución de tamaño micrométrico. El ultrasonido que penetra en una muestra puede ser dispersado, absorbido o reflejado por las características internas o por el propio material. Estas acciones son análogas al comportamiento de la luz. Para generar imágenes acústicas se utiliza 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.
Las muestras no necesitan un tratamiento especial antes de obtener imágenes acústicas, pero deben poder resistir al menos una exposición breve al agua u otro fluido, ya que el aire es un transmisor muy pobre 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 usar alcoholes y otros fluidos para no contaminar la muestra. Las muestras suelen tener al menos una superficie plana que se puede escanear, aunque también se pueden escanear muestras cilíndricas y esféricas con los accesorios adecuados. En los párrafos siguientes, el ejemplo que se describe es un circuito integrado encapsulado en plástico.
Las frecuencias ultrasónicas pulsadas en las muestras mediante los transductores de los microscopios acústicos varían desde un mínimo de 10 MHz (rara vez, 5 MHz) hasta un máximo de 400 MHz o más. En todo este espectro de frecuencias existe un equilibrio entre penetración y resolución . El ultrasonido a bajas frecuencias, como 10 MHz, penetra más profundamente en los materiales que el ultrasonido 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 de muy alta resolución. La frecuencia elegida para obtener imágenes de una muestra particular dependerá de la geometría de la pieza y de los materiales involucrados.
La imagen acústica del CI encapsulado en plástico que aparece a continuación se realizó utilizando un transductor de 30 MHz porque esta frecuencia proporciona un buen compromiso entre penetración y resolución de la imagen.
El transductor ultrasónico escanea en trama la superficie superior de la muestra. Varios miles de pulsos entran en la muestra cada segundo. Cada pulso puede dispersarse o absorberse al pasar a través de partes homogéneas de la muestra. En las interfaces de materiales, una parte del pulso se refleja de regreso al transductor, donde se recibe y se registra su amplitud.
La porción 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 se rige 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 porción 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 nada del pulso penetra más profundamente en la muestra.
Un pulso de ultrasonido del transductor viaja nanosegundos o microsegundos para alcanzar una interfaz interna y se refleja de regreso al transductor. Si hay varias interfaces internas a diferentes profundidades, los ecos llegan al transductor en momentos diferentes. 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 sólo aquellos ecos de retorno de la profundidad de interés. Este proceso se conoce como "cerrar" los ecos de retorno.
Finalmente, se dio la vuelta al circuito integrado encapsulado en plástico y se tomaron imágenes desde la parte posterior. Los ecos de retorno se controlaron en la profundidad donde el compuesto del molde de la parte posterior interactúa con la parte posterior de la paleta del troquel. Los pequeños puntos negros en la imagen acústica de arriba son pequeños huecos (burbujas atrapadas) en el compuesto del molde.
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 directo.
Las muestras obtenidas con microscopios acústicos suelen ser conjuntos de uno o más materiales sólidos que tienen al menos una superficie plana o regularmente curvada. La profundidad de interés puede implicar una unión interna entre materiales, o una profundidad a la que puede ocurrir un defecto en un material homogéneo. Además, las muestras se pueden caracterizar sin formación de imágenes para determinar, por ejemplo, su impedancia acústica.
Debido a su capacidad para encontrar funciones de visualización de forma no destructiva, los microscopios acústicos se utilizan ampliamente en la producción de componentes y conjuntos electrónicos para control de calidad, confiabilidad y análisis de fallas. Por lo general, el interés está en encontrar y analizar defectos internos como delaminaciones, grietas y huecos, aunque también se puede utilizar un microscopio acústico simplemente para verificar (mediante caracterización del material o imágenes, o ambas) que una pieza determinada o un material determinado cumple con las especificaciones o , en algunos casos, no es falso. [17] Los microscopios acústicos también se utilizan para obtener imágenes de placas de circuito impreso [18] y otros conjuntos.
Además de la electrónica, existen numerosas aplicaciones. En muchas industrias, se pueden visualizar acústicamente productos que involucran tuberías, materiales cerámicos, materiales compuestos o varios tipos de uniones unidas, 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 pueden tomar imágenes de una película de polímero para examinar su unión a una placa de plástico multicanal utilizada en análisis de sangre. SAM puede proporcionar datos sobre la elasticidad de las células y de los tejidos duros y blandos, lo que puede brindar 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 en la investigación de procesos como la motilidad celular . [5] [6]
Diferentes grupos en el mundo iniciaron otra dirección prometedora para diseñar y construir SAM portátiles para imágenes 3D del subsuelo y diagnóstico de tejidos blandos y duros [16] [19] y esta dirección actualmente se está desarrollando con éxito con el objetivo de implementar esas métodos en la práctica clínica y cosmetología.
También durante la última década se expresó el interés por aplicar métodos de microscopía acústica para la inspección 3D no invasiva de las capas de pintura de obras de arte pintadas y otros objetos del patrimonio artístico y cultural. [20] [21]
