ES2916219B2 - Dispositivo optico, sistema y procedimiento de obtencion de imagenes fotoacusticas mediante el uso de haces homogeneizados provenientes de fuentes luminosas pulsadas - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

DISPOSITIVO ÓPTICO, SISTEMA Y PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE IMÁGENES FOTOACÚSTICAS MEDIANTE EL USO DE HACES HOMOGENEIZADOS PROVENIENTES DE FUENTES LUMINOSAS PULSADAS

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el ámbito de las técnicas de generación de imagen por ultrasonidos. Más concretamente, la invención se refiere a un dispositivo, a un sistema y a un procedimiento para la obtención de imágenes fotoacústicas u optoacústicas, que permite generar imágenes funcionales, moleculares y anatómicas de sustancias o estructuras presentes en diversos tejidos o muestras, preferentemente de origen biológico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El efecto fotoacústico describe la generación de ultrasonidos en un tejido previamente iluminado con pulsos cortos de luz (entendido como haces luminosos) de alta intensidad, típicamente generados mediante una fuente láser. Las moléculas del tejido sobre el que inciden dichos pulsos (de duración en el rango de los nanosegundos y frecuencia en la banda visible o infrarroja cercana) absorben parte de la energía de los pulsos ópticos y la transforman en una serie de rápidas expansiones termo-elásticas, produciéndose, de esta manera, ondas acústicas de presión en el rango de los ultrasonidos.

El uso de este efecto en la obtención de imágenes de tejidos, preferentemente biológicos, es bien conocido en el estado de la técnica. Ello ha permitido, en los últimos años, el desarrollo de diversas técnicas para obtener imágenes funcionales, moleculares y anatómicas de manera no invasiva, al no basarse en el empleo de radiación ionizante, lo cual resulta especialmente ventajoso en el caso del estudio de tejidos vivos.

Asimismo, para la observación de áreas específicas de la muestra iluminada con un contraste adecuado, es necesario sintonizar la frecuencia de la luz de forma que se ajuste a la banda de absorción de los cromóforos (regiones presentes en moléculas de determinadas sustancias donde la diferencia de energía entre orbitales moleculares se encuentra en el rango del espectro visible o infrarrojo) presentes en ella. Para dicha frecuencia, estas regiones capaces de re-emitir la radiación absorbida en ondas de ultrasonidos, poseen mayor absorción óptica que las sustancias colindantes y, por tanto, presentan un mayor nivel de contraste en la imagen final. Los cromóforos empleados suelen ser de carácter endógeno, es decir, se encuentran presentes de manera natural en el tejido estudiado. Entre los ejemplos de este tipo de sustancias se encuentra la hemoglobina en los vasos sanguíneos, la melanina, responsable de la pigmentación de la epidermis, algunos lípidos en el tejido adiposo o el colágeno y la elastina en el tejido conectivo. El hecho de que estas sustancias formen parte natural de la muestra a estudiar permite observar la respuesta funcional de las moléculas de los tejidos sin la utilización de agentes químicos externos, en contraposición con otras técnicas tales como la ecografía tradicional, que sólo aporta imágenes anatómicas, o bien, métodos más avanzados de imagen por ultrasonidos funcionales (denominados fUS) que requieren de un contraste externo (como las microburbujas) para poder realizar estudios funcionales de la muestra, y que se realizan, principalmente, a través de la medida de los flujos sanguíneos por efecto Doppler.

A pesar de las ventajas de los cromóforos endógenos, en determinados casos pueden emplearse también cromóforos exógenos, que son aquellos que se introducen externamente en la muestra con el objetivo de mejorar sus propiedades fotoacústicas. Ejemplos de estos compuestos son los agentes de contraste fotosensible basados en nanopartículas de oro o losCovalent-Organic-Frameworks (COFs),que poseen las ventajas de ser sintonizables en longitud de onda, de tener un alto grado de biocompatibilidad y de poder ser consumidas por tejidos de especial interés al enlazarse con determinadas moléculas orgánicas, como en el caso de la glucosa en el estudio de tumores malignos.

En referencia al haz de luz que se emplea para excitar los tejidos y posibilitar que emitan ultrasonidos, la aproximación más habitual en el estado de la técnica es el uso de pulsos láser de corta duración y de suficiente energía por unidad de área (fluencia óptica), ya que esto posibilita la generación de ondas de ultrasonido de banda ancha con presiones pico proporcionales a la fluencia óptica absorbida en tejidos biológicos. Los pulsos láser óptimos para su uso en técnicas de imagen fotoacústica son aquellos que poseen una anchura de pulso de entre unos pocos y un centenar de nanosegundos, y fluencias en el rango de 10 100 mJ/cm2, teniéndose en cuenta que la fluencia se encuentra limitada a aquellos valores que están por debajo de la máxima exposición permisible, estandarizada para evitar daño en los tejidos biológicos.

En cuanto al origen de estos pulsos, una opción común es el uso de dispositivos láser de estado sólido. Estos láseres, basados en tecnología de conmutación Q o deQ-switching,como la Nd:YAG o similares, poseen una alta energía de pulso, de entre 200 y 500 mJ o más, a dos longitudes de onda fija 1064 nm y 532 nm, pero se encuentran limitados en cuanto a la tasa de repetición de pulso, que varía en torno a los 10-100Hz. Además, algunos láseres sintonizables como los Osciladores Paramétricos Ópticos, basados también en Nd:YAG en una primera fase, suelen emplearse habitualmente para acceder a múltiples excitaciones de longitud de onda en la banda visible - infrarroja cercana hasta 2500 nm, pero con la penalización de realizarse a una energía mucho más baja por pulso. No obstante, debido a la energía relativamente alta de los pulsos generados por láseres de estado sólido, éstos suelen preferirse a la hora de realizar tomografía fotoacústica, ya que pueden cubrir áreas de excitación o campos de visión más amplios con suficiente fluencia como para desencadenar ondas de ultrasonido detectables.

Por otro lado, los escáneres de microscopía fotoacústica (PAM de sus siglas en inglésphotoacoustic microscopy)tratan de conseguir imágenes con una alta resolución espacial enfocando el haz luminoso en puntos de excitación de muy pequeñas dimensiones y escaneando el haz por píxeles a lo largo del área del campo de visión, así como a diferentes profundidades focales dentro del volumen estudiado. En particular, para la técnica fotoacústica de resolución óptica, ya que la energía óptica está concentrada en áreas puntuales pequeñas, se requiere mucha menos energía de pulso (del orden de micro Julios o menos) para generar ondas fotoacústicas detectables por transductores de ultrasonidos comunes. Por lo tanto, fuentes de energías menores como los Diodos Láser Pulsados (PLD de sus siglas en inglésPulsed Laser Diodes)se convierten en una alternativa factible para estos métodos de obtención de imagen. Comparados con los láseres de estado sólido, los PLD ofrecen tasas de repetición de pulsos mucho mayores, por encima de los 10 kHz, acelerando por tanto la obtención de las imágenes fotoacústicas, y resultan mucho más baratos y compactos, por lo que pueden usarse para construir equipos portátiles y competitivos en coste.

Sin embargo, el uso de PLDs en este ámbito acarrea también algunos inconvenientes. En particular, los haces luminosos obtenidos con este tipo de fuentes resultan de menor calidad debido a que los emisores de cavidad láser basados en semiconductores generan haces altamente divergentes. Además, ya que la energía producida por estas fuentes es, en general, menor, en la práctica común se utilizan múltiples emisores apilados, lo que da lugar a áreas de emisión muy amplias y a patrones de intensidad desiguales, por lo que los haces finales están compuestos por muchos modos transversales. El carácter multimodal de los haces, por tanto, dificulta mucho el enfoque sobre los puntos de interés, lo cual, comúnmente, se resuelve mediante el uso de lentes de enfoque de gran amplitud numérica. A pesar de que estas lentes pueden ayudar a enfocar los haces sobre las áreas relevantes, reducen mucho las distancias de trabajo (WD de sus siglas en inglésworking distance).Esto implica que las ondas acústicas producidas en la muestra por el efecto fotoacústico sólo pueden ser generadas a distancias focales muy cortas por los dispositivos ópticos habitualmente empleados, por lo que, se limita la profundidad a la que se obtienen las imágenes fotoacústicas en el interior del tejido. Lo cual es una de las ventajas fundamentales de esta técnica frente a las técnicas de imagen puramente ópticas mucho más superficiales.

Por otro lado, en los dispositivos de microscopía fotoacústica basados en diodos láser la composición multimodal de los haces da lugar a un deterioro en la calidad de las imágenes finales, ya que la resolución espacial lateral no puede reducirse sin pérdidas de energía sobre el punto de interés, lo que se traduce en peores relaciones señal/ruido, o, de manera equivalente, en menores contrastes obtenidos en el detector de ultrasonidos.

Algunas de estas desventajas son discutidas de forma genérica en la solicitud de patente US2009109698A1. En ella se describe un método de homogeneización o uniformización de haces con perfil transversal de emisión irregular normalmente emitidos por diodos láser mediante fibra óptica multimodo de sección poligonal, presentándose también diversas formas de focalizar el haz uniformizado en un modulador espacial de luz para dispositivos de proyección o “d/splay”. Asimismo, las solicitudes de patente JP2003121664A, EP2228674A1 y US2013170806A1, emplean el mismo concepto de transmisión por fibra de núcleo cuadrado, rectangular u otros, para resolver la uniformización de fluencia de haces para otras aplicaciones como marcado, fotocoagulación o litografía de semiconductores. No obstante, ninguna de estas referencias se refiere a aplicaciones de obtención de imágenes fotoacústicas.

Ya en el campo de la fotoacústica, en la solicitud de patente CN102854142A se plantea el uso de diodos láser como fuente de excitación fotoacústica con una configuración óptica de simple focalización del haz, sin fibra óptica y sin uniformización del haz del diodo láser. Las solicitudes US2011303015A1 y CN101813672A, basadas en el uso de fuentes láser diferentes al tipo diodo láser con perfiles de haz Gaussianos de alta calidad y modo fundamental, sí que proponen métodos de uniformización de haz, aunque muy diferentes al no emplear fibras ópticas para ello. En el primer caso, se emplea una placa difusora o placa holográfica para ampliar el área de iluminación de manera uniforme, aunque no focalizada. En el segundo, se emplea una conformación del haz para la irradiación difusa de área grande del objeto y detección mediante una matriz de detectores piezoeléctricos con barrido en profundidad.

Por último, la solicitud de patente WO2009055705A2 describe un dispositivo de microscopía fotoacústica confocal (es decir, de haz luminoso focalizado) con varias configuraciones posibles. En el procedimiento descrito se emplea fibra óptica monomodo como posible configuración para transmitir el haz de modo fundamental Gaussiano producido por fuentes láser de estado sólido como Nd:YAG. Asimismo, se realiza un filtrado espacial con diafragma opinhole,realizado con el propósito de limpiar modos de alto orden que pudiera contener el haz Gaussiano principal.

Para una comprensión más exhaustiva del estado de la técnica relacionado con la obtención de imágenes fotoacústicas basado en diodos láser se remite al lector a las referencias [S.Jeon, J. Kim, D. Lee, J. W. Bak, C. Kim, “Review on practical photoacoustic microscopy”, Photoacoustics 15 (2019) 100141], [M. Erfanzadeh, Q. Zhu, “Photoacoustic imaging with low-cost sources; A review”, Photoacoustics 14 (2019) 1-11]y [Q.Yao, Y. Ding, G. Liu, L. Zeng, “Low-cost photoacoustics imaging systems based on laser diode and light emitting diode excitation”, Journal of Innovative Optical Health Sciences Vol. 10 No. 4 (2017) 17300038].

A la vista del problema planteado referido a la uniformización de haces emitidos por diodos láser en aplicaciones de obtención de imágenes fotoacústicas, sin perjuicio de la distancia de trabajo (WD) o la profundidad a la que pueden generarse dichas imágenes en el interior del tejido, la presente invención propone un método mejorado de obtención de imágenes, no presente en el estado de la técnica, que solventa el mencionado problema permitiendo obtener imágenes de gran calidad en técnicas de microscopía fotoacústica.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN

Para resolver las limitaciones del estado de la técnica anteriormente descritas, la presente invención tiene por objeto proporcionar un novedoso método de obtención de imágenes fotoacústicas de bajo coste, que soluciona los problemas de inhomogeneidad del haz luminoso con el que se excitan las muestras bajo estudio a la vez que permite aumentar la resolución espacial lateral de imágenes fotoacústicas empleando fuentes luminosas de baja calidad de haz (como diodos láser o leds), sin consecuencias en la disminución de la distancia de enfoque del haz luminoso, y, por tanto, sin disminuir la profundidad máxima a la que las ondas acústicas de ultrasonidos son generadas dentro de la muestra bajo estudio por dicho haz luminoso mediante el efecto fotoacústico.

Más concretamente, un primer objeto de la invención se refiere a un dispositivo óptico para la conformación, homogeneización, dirección y enfoque sobre una muestra de material de un haz de luz pulsada que comprende:

- una fuente de pulsos o haces luminosos;

- una fibra óptica multimodo con núcleo de sección poligonal, configurada con una cara de entrada y una cara de salida de luz;

- un módulo óptico de acoplamiento adaptado para dirigir un pulso o haz luminoso proveniente de dicha fuente hasta la cara de entrada de dicha fibra óptica; y

- un módulo óptico de dirección adaptado para dirigir y enfocar un pulso o haz luminoso conformado y homogeneizado desde la cara de salida de dicha fibra óptica hasta una muestra.

De este modo, después de pasar por el módulo óptico de acoplamiento y por la fibra óptica, el haz proveniente de la fuente ya conformado y homogeneizado se conduce hasta el punto focal mediante el módulo óptico de dirección para la excitación fotoacústica, pudiendo emplearse cualquier óptica de colimación y enfoque conocida. Esta óptica se encarga de conjugar ópticamente el plano de la cara de salida de la fibra con el plano focal o de enfoque del haz, reproduciendo así la forma del núcleo de la fibra, o bien de la apertura colocada justo en el extremo de la fibra. El factor de aumento, o magnificación, de la configuración óptica empleada determinará finalmente la ampliación o reducción del tamaño de la sección transversal del punto focal de excitación láser del dispositivo fotoacústico.

Adicionalmente, en una realización preferente de la invención, la fuente de luz es un diodo láser pulsado, un diodo emisor de luz (LED), o un conjunto apilado de ellos. La presente invención permite utilizar dichas fuentes para la obtención de imágenes fotoacústicas de alta resolución, aprovechando sus ventajas tales como ligereza o bajo coste y resolviendo sus limitaciones mediante la conformación y homogeneización del haz mediante el uso del dispositivo de la invención.

En otra realización preferente de la invención, el dispositivo comprende una superficie con una abertura dispuesta en la cara de salida de la fibra óptica, estando dicha abertura sustancialmente centrada respecto al núcleo de dicha fibra. Esto permite realizar un filtrado espacial del haz luminoso, lo que se traduce en una reducción del tamaño del punto de enfoque sobre la muestra y por tanto en una mejora considerable de la resolución lateral. Adicionalmente, la apertura de la abertura, o lo que es lo mismo, el tamaño de la abertura puede ser mecánicamente regulable, pudiendo seleccionarse así la resolución lateral requerida en cada uso.

En otra realización preferente de la invención, la fibra óptica multimodo con núcleo de sección poligonal posee alta apertura numérica, lo cual resulta especialmente ventajosos en los casos en los que se emplean fuentes luminosas que proporcionan haces luminosos muy divergentes, pues una gran apertura numérica posibilita la aceptación por parte de la fibra de haces luminosos provenientes desde un gran rango de ángulos de incidencia.

En otra realización preferente de la invención, el módulo óptico de acoplamiento y/o el módulo óptico de dirección comprenden dos lentes asféricas planoconvexas móviles, una de colimación y otra de enfoque. Adicionalmente, el módulo de dirección puede comprender también uno o más espejos de barrido motorizados, que permiten enfocar con precisión el punto de la muestra requerido, así como realizar un escaneado o barrido por la muestra con el objetivo de obtener imágenes completas de la misma.

En otra realización preferente de la invención, el dispositivo óptico forma parte de un sistema para obtención de imágenes fotoacústicas de una muestra de material que comprende, adicionalmente, un transductor receptor de ultrasonidos adaptado para transformar las ondas acústicas en una señal eléctrica y una unidad de adquisición y procesamiento de dicha señal. Adicionalmente, el transductor de ultrasonidos tiene, preferentemente, forma de anillo y envuelve el eje óptico del haz luminoso de manera coaxial; la unidad de adquisición y procesamiento de señal comprende, preferentemente, un preamplificador, un conversor analógico-digital y un dispositivo con capacidad de procesamiento tal como un ordenador que puede estar conectado a una pantalla o display para visualizar en tiempo real las imágenes fotoacústicas.

El sistema presentado conduce a algunas ventajas técnicas con respecto a tres aspectos principales del rendimiento de los dispositivos de microscopía fotoacústica, las cuales se discuten a continuación.

En primer lugar, se obtiene un aumento en la fluencia del láser en el punto focal, generándose una amplitud de presión acústica directamente proporcional a dicha fluencia, al haber concentrado previamente la energía del haz láser en el núcleo de la fibra óptica. En este contexto, la fluencia del haz láser homogeneizado por la fibra óptica tiene un perfil de sección transversal casi constante en el área iluminada del plano focal. Por lo tanto, se puede proporcionar una excitación láser uniforme a lo largo del área de iluminación, la cual delimita el campo de visión, para dispositivos de miscroscopía fotoacústica de resolución acústica (u AR-PAM de sus siglas en inglésacoustic resolution photoacousticmicroscopy), donde la resolución espacial lateral está determinada por el enfoque del transductor de ultrasonido.

En segundo lugar, se obtiene una mejora de la resolución espacial lateral de imágenes fotoacústicas bidimensionales en dispositivos de microscopía fotoacústica de resolución óptica (u OR-PAM de sus siglas en inglésoptical resolution photoacousticmicroscopy), estando ésta determinada por el tamaño del área transversal del punto focal láser. La fluencia del láser (^) y el área del punto focal (A<0>) se pueden adaptar a los requisitos específicos de los sistemas de microscopía fotoacústica seleccionando una fibra con un área de núcleo poligonal (A<1>) más grande o más pequeña y acoplando a la entrada de la fibra más o menos energía del haz luminoso de la fuente láser. Por tanto, la fluencia promedio en el punto focal es ^ = E0 / A0 donde E<0>es la energía del pulso del haz luminoso que eventualmente llega al punto focal de área determinada porA0 = m 2d x Altdonde A<1>es el área de sección del núcleo de la fibra y md es el factor de aumento o magnificación dado por la óptica de enfoque del módulo óptico de dirección. Por ejemplo, para un aumento md = 1 de la óptica de colimación y enfoque, el área del punto focal corresponderá al área de la sección transversal del núcleo de la fibra.

Se consigue, por último, mejorar la resolución espacial lateral, o lo que es lo mismo, reducir el área del punto focal A<0>, sin perjuicio en la profundidad de foco de la óptica de dirección, o de la distancia de trabajo relacionada, que determina el rango de desplazamiento máximo disponible del punto focal del láser para adquirir imágenes bidimensionales a varias profundidades dentro del tejido, permitiendo así la exploración y la formación de imágenes fotoacústicas tridimensionales o volumétricas.

Debido a las ventajas técnicas expuestas, el uso del dispositivo y del sistema de la invención para la obtención de imágenes fotoacústicas en aplicaciones de microscopía fotoacústica de resolución óptica, en aplicaciones de microscopía fotoacústica de resolución acústica y/o en aplicaciones de tomografía fotoacústica, resulta de especial interés.

Además del dispositivo y del sistema introducidos, que permiten adaptar convenientemente algunos aspectos de los haces de las fuentes de luz pulsada de haces multimodo de baja calidad aplicados a la excitación de las ondas de ultrasonido en los sistemas de obtención de imágenes fotoacústicas, también se divulga un método o procedimiento de obtención de imágenes fotoacústicas de una muestra de material que comprende la realización de los siguientes pasos mediante la operación de un sistema como el descrito anteriormente:

a) disponer una fuente de luz adaptada para emitir pulsos o haces luminosos de duración en el rango de los nanosegundos y frecuencia en la banda visible o infrarroja cercana a una distancia de la muestra igual o inferior a la longitud de la fibra óptica;

b) dirigir los pulsos o haces luminosos provenientes de dicha fuente hasta la cara de entrada de una fibra óptica multimodo de alta apertura numérica con núcleo de sección poligonal mediante el ajuste de la posición de los elementos que conforman el módulo óptico de acoplamiento;

c) enfocar sobre un punto de la muestra dicho pulsos o haces luminosos homogeneizados mediante el ajuste de la posición de los elementos que conforman el módulo óptico de dirección;

d) disponer el transductor receptor de ultrasonidos sobre la superficie de la muestra; e) recibir y procesar electrónicamente la señal captada por dicho transductor mediante una unidad de adquisición y procesado de señal obteniendo una imagen fotoacústica.

Por último, y adicionalmente, los pasos c-e de este procedimiento pueden repetirse al menos una vez, variando la posición del punto focal de la lente de enfoque mediante un segundo ajuste de la posición de los elementos que conforman el módulo óptico de dirección, generándose cada vez un píxel correspondiente a un punto diferente de la muestra en el plano perpendicular a la dirección del haz y donde se realiza un paso posterior de ensamblaje de dichos píxeles de acuerdo a la posición iluminada de la muestra correspondiente a cada uno de ellos obteniéndose una imagen bidimensional de la muestra. Si este mismo procedimiento de obtención de imágenes bidimensionales se repite a su vez, de forma que en cada repetición se varíe la posición de la lente de enfoque con respecto al transductor de ultrasonidos a lo largo de la dirección del haz, se generará cada vez una imagen fotoacústica de un plano diferente de la muestra en la dirección longitudinal a la dirección del haz, pudiéndose obtener de este modo imágenes tridimensionales de la muestra tras la realización de un paso posterior de ensamblaje de dichas imágenes de acuerdo a la posición iluminada de la muestra correspondiente a cada una de ellas.

La presente invención describe un método para obtener imágenes de microscopía fotoacústica de calidad mediante el uso de diodos de láser pulsado o de un conjunto apilado de éstos cuyos haces multimodo han sido homogeneizados y conformados hasta presentar las siguientes propiedades:

- Distribución plana y uniforme de la energía y la fluencia del haz, proporcionando un alto contraste de imagen;

- Alta resolución espacial lateral de hasta pocos micrómetros;

- Distancia de trabajo en el rango de los centímetros, posibilitando el acceso a un amplio rango de profundidades de excitación axial en la muestra, y disponiendo un espacio mayor para colocar el detector de ultrasonidos.

En la presente invención, estas propiedades del haz se alcanzan mediante la realización de dos pasos principales. Primero se acopla el haz luminoso a una fibra óptica multimodo de sección poligonal (como por ejemplo cuadrada, rectangular, octogonal...) mediante dispositivos de acoplamiento óptico convencionales conocidos en el estado de la técnica, como por ejemplo dos lentes asféricas planoconvexas móviles, una de colimación y otra de enfoque, así como un soporte de entrada a la fibra óptica, o incluso mediante acoplamiento directo. De este modo, se homogeniza el patrón de fluencia e intensidad emitido por la fuente PLD gracias a la mezcla de modos espaciales del haz original realizada dentro de la fibra mediante múltiples reflexiones internas totales en las paredes de su núcleo. Adicionalmente, se obtienen mejores resultados de homogeneización de la fluencia del haz si la longitud de la fibra es igual a superior a 1 m. Con ello se obtiene un perfil transversal del haz con distribución de intensidad uniforme y plana oflat-topen la cara de salida de la fibra, donde la sección transversal del haz tiene la misma forma que el núcleo de la fibra, y donde la divergencia asimétrica para los modos rápidos (verticales) y lentos (horizontales) queda simetrizada por la amplitud numérica común de la fibra. Asimismo, consigue mejorarse la resolución lateral gracias a la apertura de tipo diafragma opinholedispuesta en la cara de salida de la fibra óptica.

Otros objetos de la invención se refieren a las realizaciones particulares descritas en las reivindicaciones de la presente solicitud.

En el ámbito de interpretación de la invención, el término “sustancialmente” se entenderá como “idénticamente” o comprendido en un rango de variación del 10%.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las anteriores y otras características y ventajas se comprenderán más plenamente a partir de la descripción detallada de la invención, así como de los ejemplos de realización preferente referidos a los dibujos adjuntos, en los que:

- La Figura 1 corresponde, esquemáticamente, a un escáner de resolución óptica de microscopía fotoacústica, presentado como una posible realización de la invención, basado en el uso de un conjunto de PLDs como fuente láser acoplados al dispositivo de homogeneización de haz de la invención.

- La Figura 2a muestra una vista longitudinal de una fibra óptica multimodo con núcleo de sección poligonal como la empleada en el procedimiento de la invención.

- La Figura 2b muestra la vista transversal de dos fibras ópticas multimodo con núcleo de sección poligonal (una cuadrada y otra octogonal) como las empleadas en el procedimiento de la invención.

- La figura 2c muestra la cara de salida de la fibra óptica multimodo con núcleo de sección poligonal empleada en el procedimiento de la invención, y, más concretamente, la posición de la abertura de diafragma opinhole.

-La Figura 3a muestra una imagen experimental de cámara CCD con tamaño de píxel de 4.5 micrómetros y los perfiles de fluencia de la sección eficaz del haz en la superficie de emisión de un conjunto de PLDs de 3x3 con 200x280 micrómetros cuadrados de área total.

- La Figura 3b muestra una imagen experimental de cámara CCD con tamaño de píxel de 4.5 micrómetros y los perfiles de fluencia de la sección eficaz del haz en el área de emisión del PLD enfocado a la entrada de una fibra multimodo con un núcleo cuadrado de sílice fundido de 150 micrómetros de arista.

- La Figura 3c muestra una imagen experimental de cámara CCD con tamaño de píxel de 4.5 micrómetros y los perfiles de fluencia de la sección eficaz del haz homogeneizado en la cara de salida de la fibra óptica tras pasar por la fibra de 2 metros de longitud.

- La Figura 4a muestra una imagen experimental de cámara CCD con tamaño de píxel de 4.5 micrómetros y los perfiles de fluencia de la sección eficaz del haz en el punto focal del módulo óptico de dirección del haz para un punto focal cuadrado de 75 micrómetros de arista, homogeneizado con perfil casi plano.

- La Figura 4b y los perfiles de fluencia de la sección eficaz del haz en el punto focal del módulo óptico de dirección del haz para un punto focal circular de 10 micrómetros de diámetro, después de efectuar un filtrado espacial mediante un diafragma opinholesituado en la cara de salida de la fibra.

REFERENCIAS NUMÉRICAS DE LOS DIBUJOS

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Se expone, a continuación, una descripción detallada de la invención basada en las FIGS.

1-4 del presente documento. Dicha descripción se aporta con fines ilustrativos, pero no limitativos, de la invención reivindicada.

La FIG. 1 representa, esquemáticamente, los elementos constitutivos de un sistema de obtención de imágenes fotoacústicas correspondiente a un escáner de imágenes fotoacústicas de tipo OR-PAM, según una realización preferente del sistema de la invención. Dicho escáner se divide en dos partes principales: un dispositivo (1) óptico para la generación, conformación y homogeneización de pulsos o haces (2) luminosos, y un dispositivo de detección y adquisición de ultrasonidos. Al igual que el sistema de obtención de imágenes fotoacústicas, el dispositivo (1) óptico para la generación, conformación y homogeneización de pulsos o haces (2) luminosos comprendido en dicho sistema es también, por sí solo, un objeto principal de la presente invención

En el dispositivo (1) óptico, los pulsos o haces (2) luminosos son generados por una fuente (3) de luz, preferentemente un láser PLD, mediante pulsos de corriente eléctrica desde un controlador (4). Un módulo (5) óptico de acoplamiento acopla la potencia del haz (2) luminoso a una fibra (7) óptica, pasando dicho haz (2) luminoso a ser un haz (6) enfocado en la cara (7’) de entrada de la fibra. La fibra (7) óptica es, preferentemente, de tipo multimodo y de cualquier longitud. Asimismo, la fibra (7) óptica está, preferentemente, provista de un revestimiento externo de protección (8), un revestimiento del núcleo (9) y un núcleo (10) de sección transversal poligonal. En las FIGS. 2a-b se representan los detalles geométricos de unas fibras (7) ópticas cuadradas y octogonales, como dos ejemplos para la adecuada conformación y homogeneización del haz (2) luminoso multimodo PLD. La FIG. 2a muestra un corte longitudinal de la fibra (7) óptica, donde se indican sus principales partes constituyentes: el núcleo (10) interno, el revestimiento externo de protección (8) y el revestimiento del núcleo (9). En la FIG. 2b también se muestran los detalles de dos ejemplos de secciones transversales poligonales de fibra (7) con geometrías de núcleo (10) cuadrado y de núcleo (10) octogonal.

Finalmente, un módulo (13) óptico de dirección conduce el haz (14) conformado y homogeneizado desde la cara (7’’) de salida de la fibra hasta el punto (15) focal con un tamaño de área determinado por el módulo (13) óptico de dirección, y focalizado en el plano imagen (18), a la distancia de trabajo de la lente (16) de enfoque que está directamente relacionada con su longitud focal. El barrido del plano imagen (18), situado a una determinada profundidad de penetración en el interior de la muestra, se realiza mediante un sistema de espejos motorizados (17) localizados en el módulo óptico de dirección (13) (como se muestra en la FIG. 1), moviendo así el punto focal (15) del haz a las distintas posiciones de coordenadas x e y de dicho plano imagen (18).

Además de esto, puede realizarse una mejora de la resolución lateral mediante el filtrado espacial con una pequeña abertura (11), por ejemplo, con una lámina o superficie (12) equipada con un diafragma opinhole,centrada delante de la cara (7’’) de salida del núcleo de la fibra (7), como se representa en la FIG. 2c. En ella puede observarse la cara (7’’) de salida de la fibra (7) con la abertura (11) centrada en la misma. Esto resulta de especial interés en los dispositivos de microscopía fotoacústica de resolución óptica. Gracias a la sección transversal de fluencia casi uniforme en la salida de la fibra (7), la forma del haz (14) luminoso a través del área de apertura del diafragma (A'<1>) se refleja en el plano (18) focal del módulo (13) de dirección con un área del punto (15) focal reducida (A'<0>) y proporcional al factor de aumento o magnificaciónmd, (de valor menor o igual a 1) del módulo (13) óptico de dirección, siguiéndose la correspondiente relaciónA'0 = m'd x A'1 , para obtener una mejor resolución lateral con fluencia aproximadamente constante dada por el haz (14) luminoso homogeneizado de la fibra óptica. Con este método de filtrado espacial, el punto (15) focal y, por lo tanto, la resolución lateral, se pueden reducir al disminuir la apertura del diafragma (11) hasta unos pocos micrómetros, dependiendo de la longitud de onda del láser utilizada, sin cambiar la distancia focal efectiva del objetivo del módulo (13) de dirección y manteniendo así la profundidad óptica de enfoque y la distancia de trabajo de imagen. Adicionalmente, si la apertura del diafragma opinole(11) comprendido en el dispositivo óptico es mecánicamente regulable, esto aporta una excelente ventaja a la hora de seleccionar la resolución lateral deseada para la observación de la muestra.

Las ondas (20) fotoacústicas se generan como ondas de ultrasonido como resultado de la potencia óptica de los haces (2) luminosos entrantes, normalmente de pocos nanosegundos de duración, en la zona del punto (15) focal a través del efecto fotoacústico. Esto se describe mediante la conocida relación P(r) = T^a( r ) ^ ( r ) que establece que la fluencia óptica en un punto espacial determinado r en la muestra (19) se convierte en un pulso de presión de amplitud P proporcional a la misma, donde es la absorción óptica en este punto, y r es el parámetro de Grüneisen, que depende de las propiedades termodinámicas y elásticas de dicho medio.

Por su parte, el dispositivo de detección y adquisición de ultrasonidos de la invención comprende, preferentemente, un transductor (21) de ultrasonidos (TUS) cualquiera que rodea el haz (2) luminoso de manera coaxial, dispuesto en el llamado modo de reflexión, y en contacto físico directo con la muestra (19), o a través de un medio intermedio de alta transmisión de ultrasonidos (como los geles de acoplamiento). El TUS (21) recibe entonces las ondas (20) ultrasónicas que se propagan a la velocidad del sonido en ese medio y las convierte en señales eléctricas. Estas señales se amplifican y digitalizan respectivamente mediante un preamplificador (PREAMP) (22) y un conversor (23) analógico-digital (ADC) para el posterior procesamiento digital de la imagen en un ordenador (24), tal como se representa en el esquema de la FIG. 1. Posteriormente, puede conectarse dicho ordenador a una pantalla odisplay(25) con el fin de visualizar las imágenes generadas, en algunos casos incluso a tiempo real. Por lo tanto, en el escáner OR-PAM se registra finalmente cada fotograma de imagen fotoacústica como un mapa 2D de amplitudes (o amplitudes al cuadrado) de presión acústica donde cada posición del punto (15) focal láser en el plano imagen escaneado (18) corresponde a un píxel de la imagen fotoacústica bidimensional.

Los escaneos de profundidad también pueden realizarse a lo largo del eje z para producir imágenes volumétricas en 3D de cortes de fotogramas en 2D, por ejemplo, moviendo la lente (16) de enfoque con respecto al TUS (21), que permanece fijo y en contacto con la superficie de la muestra (19). El rango máximo de exploración dentro de la muestra (19) de material es proporcionado por la distancia de trabajo de la lente (16) de enfoque, de modo que el punto (15) focal puede ser enfocado desde la superficie de la muestra hasta una profundidad máxima dada por la distancia de trabajo de la lente (16). Por esta razón, normalmente se requiere una distancia de trabajo suficiente para obtener imágenes en profundidad de hasta varios milímetros, siendo esta una de las principales ventajas de la obtención de imágenes por fotoacústica en comparación con las técnicas de obtención de imágenes puramente ópticas que son mucho más superficiales. Además, el uso de fibras (7) ópticas flexibles permite un diseño ventajoso, ya que el módulo (13) óptico de dirección puede moverse independientemente y colocarse en cualquier posición deseada sobre la superficie de la muestra (19), facilitando así su aplicación práctica para la obtención de imágenes.

En cuanto al método óptico para la conformación del haz en el escáner OR-PAM, en él los pulsos o haces (2) luminosos son generados por una pila de PLDs empleada como fuente (3) de luz que está conectada a su controlador (4) de pulsos de corriente, o driver PLD, a través de sus electrodos positivo y negativo con polaridad directa. El controlador (4) del PLD suministra un tren de pulsos, estando éstos por encima del umbral de intensidad de corriente del PLD para emitir luz láser, con un ciclo de trabajo dado porD = tpFp, determinado por la duración de la anchura de los pulsostpy la tasa de repetición de los pulsos Fp programadas en el controlador (4). Así, el PLD da lugar a un haz (2) luminoso pulsado con el mismo perfil temporal y con potencia de los pulsos ópticos proporcionales a la intensidad de corriente suministrada al PLD por el controlador (4). Para evitar daños en el PLD, la intensidad de la corriente, el ciclo de trabajo y la anchura del pulso se fijan por debajo del valor máximo previsto en las especificaciones del fabricante del PLD.

Con el fin de alcanzar potencias ópticas máximas más elevadas, la fuente (3) PLD se construye con múltiples emisores de diodos láser individuales, normalmente dispuestos en barras monolíticas horizontales con un número determinado de emisores por barra, pudiendo estas barras apilarse también verticalmente cubriendo un área de emisión global A<2>. Por lo tanto, la sección transversal del haz (2) luminoso emitido tendrá una intensidad no uniforme o un patrón de fluencia correspondiente a cualquier configuración del conjunto de los emisores individuales.

En la FIG. 3a se muestra una imagen tomada con una cámara CCD de la sección transversal de emisión del haz (2) luminoso para un conjunto apilado específico de PLD de 3 por 3 con un área de emisión A<2>= 200x280 μm2 (enmarcada con un cuadrado negro en la FIG. 3a). La potencia máxima y la longitud de onda central son, para este PLD, de alrededor de 200 W y 905 nm respectivamente. La energía del haz (2) luminoso de este haz PLD se estima entonces en 20 μJ para un ancho del haz (2) luminoso de 100 ns, y donde su frecuencia de repetición de los pulsos (2) luminosos puede alcanzar hasta 10 kHz.

Como se muestra en la realización del escáner OR-PAM de la FIG. 1, los pulsos o haces (2) luminosos procedentes de la fuente la fuente (3) de luz PLD se acoplan a una fibra (7) óptica con sección transversal de núcleo (10) poligonal mediante un módulo (5) óptico de acoplamiento que sea capaz de lanzar la mayor parte de la potencia del haz (2) luminoso desde el área de emisión del PLD A<2>, al área de núcleo (10) de la fibra A<1>. Para un área del núcleo (10) de la fibra mayor que el área de emisión del PLD, A<1>> A<2>, puede implementarse un acoplamiento directo sin óptica después de una alineación adecuada del núcleo (10) de la fibra con respecto a los centros del área del PLD. De lo contrario, puede ser necesario un módulo (5) óptico de acoplamiento con un factor de magnificación, denotado como mc, para igualar la sección transversal del haz (2) luminoso al menos hasta el área del núcleo (10) de la fibra, ya queAx = m % x A2. La alineación de la posición de la cara (7’) de entrada del núcleo (10) de la fibra con la posición del haz (6) enfocado por el módulo óptico en la cara de la fibra (7’) es normalmente necesaria para maximizar la potencia de entrada enviada al núcleo (10) de la fibra, lo que puede hacerse, por ejemplo, ajustando con precisión la posición del soporte (26) de entrada de la fibra con traslaciones micrométricas en las dos direcciones transversales al eje óptico.

El haz (2) luminoso acoplado es guiado a lo largo de la fibra (7) hasta que sale por la cara (7’’) de salida de la fibra (7) con una divergencia dada por la apertura numérica de la fibra (7) y con una sección transversal de fluencia aproximadamente uniforme, u homogeneizada.

La apertura numérica (NA) de la fibra (7) proporciona el ángulo máximo de aceptación del haz (2) luminoso de entrada que será guiado a través del núcleo (10) de la fibra por múltiples reflexiones internas totales en la interfaz núcleo/revestimiento. La apertura numérica viene dada en función de los índices de refracción de los mencionados elementos de la fibra (7) según la conocida relaciónNA = .Por lo tanto,

normalmente se necesitarán fibras (7) de alta apertura numérica para haces (2) luminosos muy divergentes procedentes de la fuente (3) PLD y del módulo (5) óptico de acoplamiento, con el fin de realizar una mezcla de modos efectiva a lo largo del núcleo (10) de la fibra y, por lo tanto, obtener una mejor homogeneización del haz (2) luminoso a la salida de la fibra (7). La longitud de la fibra (7) también mejorará la homogeneización del haz (2) luminoso, con perfiles de fluencia aproximadamente constantes normalmente para fibras (7) de uno o dos metros.

En las FIGS. 3b y 3c se muestran imágenes de cámara CCD de la distribución de fluencia de la sección transversal de los pulsos o haces (2) luminosos a la entrada de la fibra (7) en el plano focal del módulo (5) óptico de acoplamiento y a la salida de la fibra (7), respectivamente. Estos datos experimentales se proporcionan para evaluar el rendimiento de la homogeneización de la fibra (7), y para una realización particular del sistema de la FIG. 1 que corresponde a la pila de PLD antes mencionada con una configuración de emisores 3 por 3 (véase el patrón de la FIG. 3a), una fibra (7) óptica multimodo con núcleo (10) cuadrado de 150 |j,m de lado, apertura numérica de 0,39 y 2 m de longitud, y un módulo (5) óptico de acoplamiento compuesto por dos lentes asféricas plano-convexas, siendo la primera lente (27) para colimar el haz y la segunda lente (28) para enfocarlo en el núcleo de la fibra, y siendo sus respectivas distancias focales nominales 6 = 20,1 mm y f<2>= 10,5 mm. Este módulo (5) óptico de acoplamiento posee, por tanto, un aumento dado porm c = f 2/ f 1 ≈0.5, de modo que el área de emisión del PLD A<2>se reduce aproximadamente un factor 4 para encajar en la sección transversal del núcleo (10) de la fibra A<1>. Las simulaciones de trazado de rayos, que reproducen la misma configuración óptica, muestran una buena homogeneización de la sección transversal de la fluencia del haz (2) luminoso a la salida de la fibra (7) tanto para un núcleo (10) cuadrado de 150 |j,m de lado, como para un núcleo (10) octogonal de 150 .^m de diámetro apotético (diámetro octogonal dentro de la circunferencia circunscrita).

El haz (14) homogeneizado procedente de la salida de la fibra (7) es transportado al punto (15) focal final por el módulo (13) óptico de dirección del sistema o escáner OR-PAM, que mantiene en el mismo soporte mecánico las lentes de colimación (29) y de enfoque (16) y el sistema de espejos (17) de barrido x-y, y al cual se acopla el transductor (21) de ultrasonidos en forma de anillo que rodea el haz (14) luminoso coaxialmente, tal y como se muestra en la realización de la FIG. 1. Con esta configuración óptica, la sección transversal de la fluencia del haz (14) conformado en la salida de la fibra (7), de área Ai, se visualiza en el punto (15) focal final con la misma distribución uniforme de fluencia en toda su áreaA0 = m 2d x A1,de tamaño proporcional al factor de magnificación o aumentom d = f 2/ f idel módulo (13) óptico de dirección, según la relación de longitudes focales de las lentes de colimación (29) y de enfoque (16) respectivamente.

En la FIG. 4a se muestra una imagen de cámara CCD de la forma de la sección transversal del punto (15) focal del láser y la distribución de fluencia homogeneizada obtenida para la misma fibra (7) de núcleo (10) cuadrado de 150 .^m del ejemplo experimental descrito anteriormente. El haz (14) luminoso y conformado a la salida de la fibra con la sección transversal de fluencia mostrada en la FIG. 3c, se transporta al plano (18) focal mediante el módulo (13) óptico de dirección particular compuesto por dos lentes asféricas planoconvexas con un factor de magnificación o aumentom d = f 2/ f i —0.5, donde las longitudes focales de las primeras (29) y segundas (16) lentes son 6 = 20,1 mm y f<2>= 10,5 mm respectivamente. El punto (15) focal final tiene, por tanto, la misma forma cuadrada del núcleo (10) de la fibra, pero con un área reducida un factor 4 con respecto al área del núcleo (10) a la salida de la fibra, y con el lado del área cuadrada reducido un factor 2, a unos 75 .^m de lado. El rango de penetración máximo en la muestra del punto focal (15) viene dado por la distancia de trabajo de la lente (16) de enfoque, que, concretamente tiene una distancia focal de f<2>= 10,5 mm, para la cual se obtienen las distancias de trabajo en aire de WD = 6,4 mm, y de WD = 8,8 mm con la lente (16) sumergida en agua.

Dado que el tamaño del punto (15) focal del láser determina directamente la resolución lateral de la imagen fotoacústica formada mediante el barrido del haz (14) láser, el método de conformación y homogeneización del haz (2) luminoso del PLD con una fibra (7) multimodo de núcleo cuadrado permite controlar este importante parámetro en los escáneres OR-PAM mediante la selección del tamaño del núcleo (10) de la fibra y el factor de aumento del módulo (13) óptico de dirección. También se obtiene un punto de iluminación de alto contraste gracias a su perfil de fluencia aproximadamente constante y flancos abruptos, como se muestra en la FIG. 4a. La fluencia media alcanzada finalmente en el punto (15) focal cuadrado de unos 75 .^m de lado es de unos 160 mJ/cm2, lo que corresponde a una potencia medida de 90 W y una energía del haz (2) luminoso de 9 (medido en aire). Este nivel de fluencia es más de tres veces el máximo permitido para evitar daños en la piel humana para la longitud de onda del PLD de 905 nm utilizada en este ejemplo, aunque el exceso de energía del haz (2) luminoso servirá para compensar las pérdidas de energía que habitualmente existen en aplicaciones reales.

Además, como ya se ha comentado anteriormente, puede realizarse una mejora de la resolución lateral con el mismo módulo (13) óptico de dirección mediante el filtrado espacial con una pequeña abertura (11), centrada delante de la cara (7’’) de salida del núcleo (10) de la fibra. El tamaño del punto (15) focal se reducirá entonces al tamaño de la abertura (11) multiplicado por el factor de aumento md, ya que el módulo (13) óptico de dirección, como antes, enfocará el haz (14) de salida con la misma forma de la abertura (11) en el plano (18) focal imagen. En la FIG. 4b se muestra el perfil de la sección transversal del punto (15) focal resultante del filtrado espacial con un diafragma (11) de apertura circular de 20 |j,m para un aumento del módulo (13) óptico de dirección dem d = f 2/ f i —0.5. Así, el diámetro del punto (15) focal es de aproximadamente 10 .^m, como se representa con una línea circular alrededor del pico central en la FIG. 4b. Obsérvese también que el tamaño de los píxeles de la cámara CCD, de 4,5 |j,m, impide una mejor definición del punto (15) focal.

Aunque la energía del haz (14) luminoso que llega al punto (15) focal en la FIG. 4b se reduce en consecuencia por el filtrado espacial con una apertura (11) menor, la fluencia en el punto (15) focal se mantiene aproximadamente constante gracias a la homogeneización previa de la sección transversal del haz (2) luminoso en el extremo del núcleo (10) de la fibra. De este modo, la resolución lateral en este ejemplo se mejora al menos hasta el diámetro del punto (15) focal de 10 .^m con el mismo nivel de fluencia media de alrededor de 160 mJ/cm2, como para el punto (15) focal más grande de la fibra (7) óptica de núcleo (10) cuadrado sin filtrado espacial, y por lo tanto produciendo la misma amplitud de presión acústica.

Además de la técnica OR-PAM descrita, y de su correspondiente realización del dispositivo de escaneo, este método óptico de conformación y homogeneización del haz (2) luminoso basado en fibras (7) ópticas de núcleo (10) poligonal puede aplicarse a otras técnicas de obtención de imágenes fotoacústicas, como la Microscopía Fotoacústica de Resolución Acústica y la Tomografía Fotoacústica con el fin de obtener áreas de iluminación de fluencia uniforme a partir de fuentes (3) de luz no homogéneas y de baja calidad.

En consecuencia, todas estas técnicas de imagen pueden beneficiarse de la mayor tasa de repetición de pulsos (2) luminosos de las fuentes (3) de luz basadas en semiconductores, en comparación con los láseres de estado sólido, más potentes y costosos, empleados habitualmente como fuentes (3) de luz para estas técnicas.

Tanto en las técnicas de Microscopía Fotoacústica de Resolución Acústica como en las técnicas de Tomografía Fotoacústica, la resolución lateral y axial depende únicamente de la frecuencia central y del ancho de banda del TUS (21). Sin embargo, para obtener un buen campo de visión se requiere generalmente una mayor área focal con iluminación uniforme. Esto puede lograrse con fibras (7) ópticas de secciones poligonales más grandes, de modo que pueda acoplarse eficientemente a la fibra (7) una mayor potencia de haz (2) luminoso procedente de PLDs de mayores áreas de emisión, a fin de proporcionar una muy buena uniformidad de iluminación y el nivel de fluencia media necesario en el plano (18) focal de formación de imágenes, como se representa en la FIG. 1 para la realización del escáner OR-PAM. Además, el área de punto (15) focal más grande también puede escanearse a través de este plano (18) de formación de imágenes con espejos (17) motorizados, aunque utilizando una lente (16) de enfoque con una apertura y una longitud focal efectivas más amplias.

En particular, en el caso de los escáneres de Tomografía Fotoacústica, la reconstrucción de la imagen se realiza normalmente con transductores (21) de ultrasonidosphased array,que están compuestos por múltiples elementos detectores de ultrasonidos que permiten captar las ondas (20) fotoacústicas en diferentes ángulos de visión con respecto al campo de visión iluminado ópticamente. Los elementos detectoresphased arraypueden estar distribuidos alrededor del haz (2) luminoso en una geometría anular o semiesférica, de forma similar al transductor (21) anular de un solo elemento en el módulo (13) óptico de dirección del escáner OR-PAM representado en la FIG. 1.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. - Dispositivo (1) óptico para la conformación, homogeneización, dirección y enfoque sobre una muestra (19) de material de un haz (2) de luz pulsada en un sistema de microscopía fotoacústica que comprende una fuente (3) de pulsos o haces (2) luminosos,caracterizado por queadicionalmente comprende:

- una fibra (7) óptica multimodo con núcleo (10) de sección poligonal, configurada con una cara (7’) de entrada y una cara (7’’) de salida de luz;

- una superficie (12) con una abertura (11) dispuesta en la cara (7’’) de salida de dicha fibra (7) óptica;

- un módulo (5) óptico de acoplamiento adaptado para dirigir un pulso o haz (2) luminoso proveniente de dicha fuente (3) hasta la cara (7’) de entrada de dicha fibra (7) óptica; y

- un módulo óptico (13) de dirección adaptado para dirigir y enfocar un pulso o haz (14) luminoso conformado y homogeneizado desde la cara (7’’) de salida de dicha fibra (7) óptica hasta una muestra (19).

2. - Dispositivo (1) según la reivindicación anterior, donde la abertura (11) está sustancialmente centrada respecto al núcleo (10) de la fibra.

3. - Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el tamaño de la abertura (11) es mecánicamente regulable.

4. - Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la fuente (3) de luz comprende un diodo láser pulsado, un diodo emisor de luz (LED), o un conjunto apilado de ellos.

5. - Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la fibra (7) óptica multimodo con núcleo (10) de sección poligonal posee alta apertura numérica.

6. - Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el módulo (5) óptico de acoplamiento y/o el módulo (13) óptico de dirección comprenden dos lentes asféricas planoconvexas móviles, una de colimación (27, 29) y otra de enfoque (28, 16).

7. - Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el módulo (13) óptico de dirección comprende uno o más espejos (17) de barrido motorizados.

8. - Sistema para obtención de imágenes fotoacústicas de una muestra (19) de material, donde dicho sistema comprende:

- un dispositivo (1) óptico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores;

- un transductor (21) receptor de ondas (20) acústicas; adaptado para generar señales eléctricas a partir de la recepción de dichas ondas (20) acústicas; y

- una unidad de adquisición y procesamiento de las señales eléctricas generadas por el transductor (21), donde dicha unidad comprende medios software y/o hardware adaptados para la generación de datos de imágenes fotoacústicas a partir de las señales eléctricas procesadas.

9. - Sistema según la reivindicación anterior, donde el transductor (21) de ultrasonidos tiene forma de anillo y envuelve el eje óptico del haz (2) luminoso de manera coaxial.

10. - Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 8-9, donde la unidad de adquisición y procesamiento de señal comprende un preamplificador (22), un conversor (23) analógico-digital y/o un ordenador (24).

11. - Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, donde la unidad de adquisición y procesamiento de señal está conectada a una pantalla odisplay(25) para visualización en tiempo real de los datos de imágenes fotoacústicas generados.

12. - Uso de un dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 para la obtención de imágenes fotoacústicas en aplicaciones de microscopía fotoacústica de resolución óptica, en aplicaciones de microscopía fotoacústica de resolución acústica y/o en aplicaciones de tomografía fotoacústica.

13. - Procedimiento de obtención de imágenes fotoacústicas de una muestra (19) de material, estando dicho procedimientocaracterizado por quecomprende la realización de los siguientes pasos mediante la operación de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 8-11:

a) disponer una fuente (3) de luz adaptada para emitir pulsos o haces (2) luminosos de duración en el rango de los nanosegundos y frecuencia en la banda visible o infrarroja cercana a una distancia de la muestra (19) igual o inferior a la longitud de la fibra (7) óptica;

b) dirigir los pulsos o haces (2) luminosos provenientes de dicha fuente (3) hasta la cara (7’) de entrada de una fibra (7) óptica multimodo con núcleo (10) de sección poligonal mediante el ajuste de la posición de los elementos que conforman el módulo (5) óptico de acoplamiento; c) enfocar sobre un punto de la muestra (19) dichos pulsos o haces (14) luminosos conformados y homogeneizados mediante el ajuste de la posición de los elementos que conforman el módulo (13) óptico de dirección;

d) disponer el transductor (21) receptor de ultrasonidos sobre la superficie de la muestra

(19);

e) recibir y procesar electrónicamente la señal captada por dicho transductor (21) mediante una unidad de adquisición y procesado de señal obteniendo una imagen fotoacústica.

14. - Procedimiento según la reivindicación anterior, donde se repiten los pasos c-e menos una vez, donde cada vez se varía la posición del punto (15) focal de la lente (16) de enfoque mediante un segundo ajuste de la posición de los elementos que conforman el módulo

(13) óptico de dirección, generándose cada vez un píxel correspondiente a un punto diferente de la muestra (19) en el plano perpendicular a la dirección del haz (2) y donde se realiza un paso posterior de ensamblaje de dichos píxeles de acuerdo a la posición iluminada de la muestra (19) correspondiente a cada una de ellos obteniéndose una imagen fotoacústica bidimensional de la muestra (19).

15. - Procedimiento según la reivindicación anterior, donde se repite dicho procedimiento al menos una vez, donde cada vez se varía la posición de la lente (16) de enfoque con respecto al transductor (21) de ultrasonidos a lo largo de la dirección del haz (2), generándose cada vez una imagen fotoacústica de un plano diferente de la muestra (19) en la dirección longitudinal a la dirección del haz (2) y donde se realiza un paso posterior de ensamblaje de dichas imágenes de acuerdo a la posición iluminada de la muestra (19) correspondiente a cada una de ellas obteniéndose una imagen tridimensional de la muestra (19).