Begränsningar av den piezoelektriska array-tekniken som konventionellt används för ultraljud inspirerade en grupp forskare från University College London att utforska en alternativ mekanism för att generera ultraljud via ljus, även känd som den fotoakustiska effekten. Att koppla detta med 3D-utskrift, gruppen kunde generera ljudfält med specifika former för potentiell användning i biologisk cellmanipulation och läkemedelsleverans.

Piezoelektriska material genererar mekanisk spänning som svar på ett pålagt elektriskt fält, vilket resulterar i en användbar och exakt kontrollerbar kraft som kan, till exempel, användas för att skapa ljudvågor. Men att uppnå denna kontroll med konventionella piezoelektriska arrayer kräver både komplicerad elektronik och ett stort antal extremt små enskilda komponenter som är dyra och svåra att tillverka.

Den fotoakustiska effekten, i kontrast, uppstår när en kort puls eller modulerad ljuskälla absorberas av ett material, producerar en ljudvåg. Som gruppen rapporterar i veckans Bokstäver i tillämpad fysik , deras arbete fokuserar på att använda den fotoakustiska effekten för att kontrollera ultraljudsfält i 3D.

"En användbar egenskap hos den fotoakustiska effekten är att den ursprungliga formen på ljudet som genereras bestäms [av] var ljuset absorberas, sa Michael Brown, en doktorand vid Biomedical Ultrasound Group vid Institutionen för medicinsk fysik och biomedicinsk teknik vid University College London. "Detta kan användas för att skapa tätt fokuserade intensiva ljudpunkter bara genom att avsätta en optisk absorbator på en konkav yta, som fungerar som en lins."

Mer allmänt, det är möjligt att tillverka prover med nästan vilken ytform som helst genom att använda en 3D-skrivare och ett transparent material.

"Genom att avsätta en optisk absorbator på denna yta, vilket kan göras via spraymålning, en ljudvåg av nästan vilken form som helst kan skapas genom att belysa detta prov med en laser, " sa Brown. "Om du noggrant skräddarsyr utformningen av ytan och därför formen på den akustiska vågen, det är möjligt att styra var ljudfältet ska fokusera och till och med skapa fält fokuserade över kontinuerliga former. Vi använder bokstäver och siffror."

Detta är särskilt viktigt eftersom i teorin, förmågan att kontrollera formen på vågfronten - ytan över vilken ljudvågen har en konstant fas, ungefär som kanten på vågen – möjliggör en stor grad av kontroll över det resulterande fältet.

"Men att faktiskt designa en vågfront som genererar ett önskat mönster blir mer utmanande när komplexiteten i målet ökar, " sa Brown. "En tydlig "bästa" design är endast tillgänglig för ett fåtal utvalda fall, till exempel genereringen av ett enda fokus."

För att övervinna denna begränsning, gruppen "utvecklade en algoritm som tillåter användare att mata in ett önskat ljudfält i 3D, och den matar sedan ut en 3D-utskrivbar ytprofil som genererar detta fält, " sa Brown. "Vår algoritm möjliggör exakt kontroll av ljudets intensitet på olika platser och tidpunkten då ljudet kommer, vilket gör det snabbt och enkelt att designa ytor eller "linser" för en önskad applikation."

Brown och hans kollegor demonstrerade effektiviteten av deras algoritm genom att skapa en lins designad för att generera ett ljudfält format som siffran 7. Efter att ha belyst linsen med en pulsad laser, de spelade in ljudfältet och den önskade "7" var tydligt synlig med hög kontrast.

"Det var den första demonstrationen av att generera en multifokal distribution av ljud med detta tillvägagångssätt, sa Brown.

Det finns många potentiella användningsområden för de skräddarsydda optoakustiska profiler som skapats av gruppen. "Mycket intensivt ljud kan orsaka uppvärmning eller utöva krafter på föremål, som i akustisk pincett, ", sa Brown. "Och liknande enkelfokusenheter används redan för att klyva cellkluster och riktad läkemedelstillförsel, så vårt arbete kan vara användbart inom det området."

Gruppen är också intresserad av effekterna av förökning genom vävnad, som introducerar distorsion i formen av vågfronter orsakade av variationer i ljudets hastighet. "Om strukturen av vävnaden är känd i förväg via bildbehandling, vårt tillvägagångssätt kan användas för att korrigera för dessa avvikelser, "Att manipulera formen och tiden under vilken det fokuserade ljudet genereras kan också vara användbart för att manövrera och kontrollera biologiska celler och andra partiklar."

Går framåt, Brown och hans grupp hoppas kunna undersöka användningen av andra ljuskällor och vilka fördelar de kan erbjuda.

"En begränsning av vårt arbete var användningen av en enkelpulsad laser, " sa Brown. "Detta innebar att den tidsmässiga formen av ljudet som genererades från provet bara var en kort puls, vilket begränsade komplexiteten hos de fält som kunde genereras. I framtiden, vi är intresserade av att använda alternativa modulerade optiska källor för att belysa dessa enheter."