Microscopía acústica

La microscopía acústica es una técnica que emplea ultrasonidos de muy alta o ultra alta frecuencia . Los microscopios acústicos funcionan de forma no destructiva y penetran la mayoría de los materiales sólidos para obtener imágenes visibles de las características internas, incluidos defectos como grietas, delaminaciones y huecos .

La idea de la microscopía acústica se remonta a 1936, cuando S. Ya. Sokolov ^{[ 1 ]} propuso un dispositivo para producir imágenes ampliadas de estructuras con ondas sonoras de 3 GHz. Sin embargo, debido a las limitaciones tecnológicas de la época, no se pudo construir tal instrumento, 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 poco progreso hacia un microscopio acústico después de los experimentos de Dunn y Fry hasta aproximadamente 1970, cuando surgieron dos grupos de actividad, uno dirigido por CF Quate (Universidad de Stanford) y el otro por A. Korpel y LW Kessler (Laboratorios de Investigación de Radio Zenith). Los primeros esfuerzos para desarrollar un microscopio acústico operativo se concentraron en adaptaciones de alta frecuencia de métodos de visualización ultrasónica de baja frecuencia. Un sistema inicial empleó 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 capa delgada de fluido que, al ser sometida a energía acústica, produce cambios de reflectividad visual. Cunningham y Quate ^{[ 5 ]} modificaron esto suspendiendo pequeñas esferas de látex en un fluido. La presión acústica causó 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 el desarrollo de 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 materializado 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 de imagen novedosos y aplicaciones. El SAM fue introducido comercialmente por Leitz Corp y por Olympus Corp. En 1970, el grupo de Korpel y Kessler comenzó a desarrollar un sistema de detección láser de barrido para microscopía acústica. ^{[ 8 ]} En 1974, la actividad se trasladó a otra organización bajo la dirección de Kessler (Sonoscan Inc ), donde se desarrollaron los aspectos prácticos del instrumento. Este instrumento, el microscopio acústico láser de barrido (SLAM), ^{[ 9 ]} se comercializó en 1975. ^{[ 10 ]} 

En 1980, Roman Maev y sus estudiantes  construyeron el primer SAM de modo de transmisión de alta resolución (con una frecuencia de hasta 500 MHz) en su Laboratorio de Introscopia Biofísica de la Academia Rusa de Ciencias . ^{[ 11 ]} El primer SAM comercial ELSAM con un amplio rango de frecuencias de 100 MHz hasta 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 ^{[ 12 ]} , que operaba en modo de reflexión, así como en el modo de transmisión (únicamente) del SLAM. El uso del mismo transductor para emitir pulsos de ultrasonido y recibir los ecos de retorno permitió delimitar fácilmente la imagen acústica a la 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 posibilitó numerosos avances posteriores, como la obtención de imágenes acústicas transversales, 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. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

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). ^{[ 16 ]}

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 operan con frecuencias ultrasónicas de varios GHz. Dado que la gran mayoría de los microscopios acústicos que se utilizan actualmente son instrumentos de tipo C-SAM, esta discusión se limitará a estos instrumentos. ^{[ 17 ]}

El ultrasonido se define generalmente como cualquier sonido con 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 ultrasonido con frecuencias que van desde 5  MHz hasta más de 400  MHz, lo que permite alcanzar una resolución micrométrica. El ultrasonido que penetra en una muestra puede dispersarse, absorberse o reflejarse por las estructuras internas o el propio material. Estos procesos son análogos al comportamiento de la luz. El ultrasonido que se refleja en una estructura interna o (en algunas aplicaciones) que ha atravesado todo el espesor de la muestra se utiliza para generar imágenes acústicas.

Las muestras no necesitan ningún tratamiento especial antes de la obtención de imágenes acústicas, pero deben ser capaces de soportar al menos una breve exposición al agua u 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 fino 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 siguientes párrafos, la muestra que se describe es un circuito integrado encapsulado en plástico .

Las frecuencias ultrasónicas que los transductores de los microscopios acústicos emiten sobre las muestras oscilan entre los 10  MHz (y raramente, los 5  MHz) y los 400  MHz o más. En este rango de frecuencias, existe una relación inversa 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, el ultrasonido a frecuencias muy altas no penetra profundamente, pero proporciona imágenes acústicas de muy alta resolución. La frecuencia elegida para analizar una muestra en particular dependerá de la geometría de la pieza y de los materiales involucrados.

La imagen acústica del circuito integrado encapsulado en plástico que se muestra a continuación se obtuvo utilizando un  transductor de 30 MHz, ya que esta frecuencia proporciona un buen equilibrio entre penetración y resolución de la imagen.

El transductor ultrasónico realiza un barrido raster de la superficie superior de la muestra. Varios miles de pulsos inciden en la muestra cada segundo. Cada pulso puede dispersarse o absorberse al atravesar 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 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 dado es el producto de su densidad por la velocidad del ultrasonido en dicho material. Cuando un pulso de ultrasonido encuentra una interfaz entre dos materiales, el grado de reflexión ultrasónica en esa interfaz se rige por la siguiente fórmula:

${\displaystyle R={\frac {\left(z_{2}-z_{1}\right)}{\left(z_{2}+z_{1}\right)}}}$

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 penetrará más profundamente en la muestra, donde podría reflejarse parcialmente en las interfaces más profundas del material. Si uno de los materiales es un gas, como el aire (como en el caso de 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 ninguna parte del pulso penetra más profundamente en la muestra.

Control de los ecos de retorno

Un pulso de ultrasonido emitido por el transductor tarda nanosegundos o microsegundos en alcanzar una interfaz interna y se refleja de vuelta al transductor. Si existen varias interfaces internas a diferentes profundidades, los ecos llegan al transductor en momentos distintos. Las imágenes acústicas planares no suelen utilizar todos los ecos de retorno de todas las profundidades para generar la imagen acústica visible. En su lugar, se crea una ventana temporal que solo acepta los ecos de retorno de la profundidad de interés. Este proceso se conoce como "filtrado" de los ecos de retorno.

Finalmente, se volteó el circuito integrado encapsulado en plástico y se obtuvo una imagen desde la parte posterior. Los ecos de retorno se filtraron a la profundidad donde el compuesto de moldeo posterior entra en contacto con la parte posterior de la paleta del chip. Los pequeños puntos negros en la imagen acústica superior son pequeñas cavidades (burbujas atrapadas) en el compuesto de moldeo.

Las imágenes acústicas mostradas arriba son todas 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 usar para crear otros tipos de imágenes, incluidas imágenes tridimensionales, imágenes de sección transversal e imágenes de escaneo.

Las muestras analizadas mediante microscopios acústicos suelen ser conjuntos de uno o más materiales sólidos con al menos una superficie plana o de curvatura regular. La profundidad de interés puede abarcar una unión interna entre materiales o la profundidad a la que puede producirse un defecto en un material homogéneo. Además, las muestras pueden caracterizarse sin necesidad de imágenes para determinar, por ejemplo, su impedancia acústica.

Debido a su capacidad para encontrar y visualizar características de forma no destructiva, los microscopios acústicos se utilizan ampliamente en la producción de componentes y ensamblajes electrónicos para el control de calidad, la fiabilidad y el análisis de fallos . Por lo general, el interés radica en encontrar y analizar defectos internos como delaminaciones, grietas y huecos, aunque un microscopio acústico también puede utilizarse simplemente para verificar (mediante la caracterización del material o la obtención de imágenes, o ambas) que una pieza o un material determinado cumple las especificaciones o, en algunos casos, que no es falsificado. ^{[ 18 ]} Los microscopios acústicos también se utilizan para obtener imágenes de placas de circuitos impresos ^{[ 19 ]} y otros ensamblajes.

Además, existen numerosas aplicaciones fuera del ámbito de la electrónica. En muchos sectores, los productos que incluyen tubos, materiales cerámicos, materiales compuestos o diversos tipos de uniones adhesivas, como capas adhesivas y diferentes soldaduras, pueden visualizarse acústicamente.

El ensamblaje de numerosos productos médicos utiliza microscopios acústicos para investigar enlaces 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. La microscopía de barrido electrónico (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 para investigar procesos como la motilidad celular . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Otra dirección prometedora fue iniciada por diferentes grupos en el mundo para diseñar y construir SAM portátiles de mano para imágenes 3D subsuperficiales y diagnósticos de tejidos blandos y duros ^{[ 17 ] [ 20 ]} 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 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 del patrimonio artístico y cultural. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

• Interferómetro acústico
• Holografía de ultrasonido de campo cercano mediante escaneo
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• Transductor ultrasónico micromecanizado capacitivo