Sensores interferométricos de alta sensibilidad para la obtención de imágenes optoacústicas en aplicaciones biomédicas

• Autores: Daniel Gallego Cabo
• Directores de la Tesis: Horacio Lamela Rivera (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ana Pilar González Marcos (presid.), Carmen Vázquez García (secret.), Gijs van Soest (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Acústica
      • Ultrasonidos
    • Óptica
      • Fibras ópticas
      • Láseres
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • La tomografía optoacústica (OAT) es una técnica de bioimagen emergente que combina las ventajas de las técnicas de imagen ópticas, como el alto contraste y las capacidades espectroscópicas, con la excelente resolución de las técnicas de imagen ultrasónicas. La absorción óptica de un pulso láser corto por los cromóforos endógenos o exógenos presentes en los tejidos blandos produce un incremento instantáneo de su temperatura. Debido al efecto termoacústico se generan pulsos de ultrasonidos. Esta conversión de energía óptica en acústica se conoce como efecto optoacústico. El típico espectro de esta emisión acústica cubre un amplio rango de frecuencias desde 100 kHz a decenas de megahercios. Por ello, la detección de señales optoacústicas requiere el uso de sensores de gran ancho de banda y alta sensibilidad para poder resolver las estructuras absorbentes de diferentes tamaños presentes en los tejidos. El éxito de las técnicas de imagen optoacústica como nueva modalidad de imagen médica y la diversidad de sus aplicaciones dependen del desarrollo de transductores de ultrasonidos de banda ultra ancha y alta sensibilidad que actualmente no están presentes comercialmente. La tecnología de detección tradicionalmente usada en imágenes convencionales de ultrasonidos está basada en transductores piezoeléctricos resonantes. Éstos ofrecen una alta sensibilidad pero presentan un ancho de banda estrecho. Por esto, los transductores piezoeléctricos convencionales no están especialmente indicados para su uso como sensores en sistemas optoacústicos de imagen. Como alternativa se han propuesto nuevos transductores basados en películas finas de polímero piezoeléctrico, como el PVDF, que pueden tener un gran ancho de banda usando materiales de adaptación adecuados. Sin embargo, su sensibilidad decrece cuando su tamaño se reduce. Esto supone un problema para la detección a altas frecuencias, donde la necesidad de un elemento transductor de grosor y anchura pequeños, para tener una alta resolución axial y lateral, reduce su sensibilidad. Otras desventajas de los sensores piezoeléctricos son que dada su naturaleza eléctrica no son inmunes a la interferencia electromagnética y contienen partes metálicas por lo que no se pueden combinar con otras técnicas de imágenes como la resonancia magnética nuclear (RMN). La detección óptica de ultrasonidos ha sido estudiada como alternativa a la tecnología piezoeléctrica desde hace más de 30 años. Podemos distinguir dos tipos de sensores ópticos de ultrasonidos: los que registran los desplazamientos inducidos por la presión en membranas o en cavidades ópticas resonantes, y los que se basan en la variación del índice de refracción inducido por la presión dentro o alrededor del material sensor. Todos estos sensores ópticos, al contrario que los transductores piezoeléctricos, son inmunes a perturbaciones electromagnéticas externas u otros efectos como el ruido eléctrico o las señales térmicas producidas por la iluminación directa del pulso láser. Además, en general, presentan un gran ancho de banda de detección y una gran resolución ya que el área sensible es tan pequeña como la región donde la luz está confinada. En particular, la fabricación de sensores interferométricos intrínsecos de fibra óptica es simple e involucra materiales de bajo coste. La sensibilidad puede ser mejorada por medio de un plegado o arrollamiento apropiado de la fibra aumentando la longitud en la que el campo acústico interacciona con la luz. Esta tesis está dedicada al estudio de sensores interferométricos, en su mayoría de fibra óptica, desarrollados para la detección de ondas generadas optoacústicamente. Utilizando este tipo de sensores se implementó un sistema de mamografía optoacústico. Se obtuvieron imágenes de fantomas (phantoms) que imitan las propiedades ópticas y mecánicas de los tejidos blandos. Se compararon los resultados con los obtenidos con prototipos comerciales basados en tecnología piezoeléctrica. El presente trabajo también está centrado en la búsqueda del aumento de la sensibilidad de los sensores interferométricos para la detección de ultrasonidos. Se ha realizado una caracterización de la sensibilidad acústica intrínseca a frecuencias ultrasónicas de los diferentes tipos de fibra óptica disponibles actualmente para su uso como sensores. Demostramos experimentalmente por primera vez que la sensibilidad ultrasónica de los sensores interferométricos de fibra óptica monomodo de polímero de salto de índice (SMPOF) es superior en un orden de magnitud que sus homólogos de sílice. Sin embargo, las SMPOF ya no están disponibles comercialmente y el rendimiento óptico de las muestras fue muy pobre. Esto las hace muy poco prácticas para su implementación en la aplicación final. La falta de buenas SMPOF nos llevó a explorar el uso de fibras ópticas de polímero multimodo de gradiente de índice a costa de la degradación de la visibilidad de la interferencia resultado de la interacción de los múltiples modos presentes en la fibra. Aunque estas fibras mostraron una muy buena respuesta acústica, la interferencia era muy inestable. Finalmente, los recientes avances en fibras ópticas microestructuradas de polímero han proporcionado las mejores fibras ópticas disponibles actualmente para la detección ultrasónica por su combinación de gran sensibilidad y buenas propiedades ópticas para su aplicación optoacústica. Por último, este trabajo sobre interferometría láser de fibra óptica ha motivado el desarrollo de un nuevo algoritmo de demodulación homodina pasiva para la extracción de la fase y de todos los parámetros que caracterizan el estado del interferómetro. Presentamos este algoritmo, basado en el análisis espectral de la señal interferencial, que permite, entre otras muchas aplicaciones, la caracterización de los moduladores de fase empleados para la estabilización homodina activa de los sensores interferométricos.