Radioplasmonics: Plasmonic Transducers in the Radiofrequency Regime for Resonant Thermo-acoustic Imaging in Deep Tissues
- 1. Italian Institute of Technology
- 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Description
In this work, we introduce a radically new approach for achieving doubly resonant light-to-sound conversion with radiofrequency waves, namely, electromagnetic waves in the range of 1–100 MHz. By taking the profit from recently published metamaterials exhibiting plasma-like responses in the radio range, we introduce the concept of "radioplasmonics" that deals with localized surface plasmons in the radio regime. In analogy with conventional plasmonics, radioplasmonics can be exploited to design microtransducers that effectively convert radio-waves into heat through resonant electromagnetic absorption. Then, by tuning the Young's modulus of the transducers, we can achieve resonant acoustic vibrations in the same range of frequencies as the plasmonic resonances. In this way, plasmonic heating is converted into resonant thermo-acoustic expansion and its consequent generation of pressure waves. The latter can then be used for ultrasound imaging. We show that, in this double resonance framework, the intensity of the generated acoustic waves is above the current detection level under realistic conditions. The importance of using the radio range is related to its ability to deeply penetrate water and biological tissues. Hence, the proposed approach paves the way to the first total-body thermo-acoustic imaging able to reach a single-cell resolution.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
في هذا العمل، نقدم نهجًا جديدًا جذريًا لتحقيق تحويل الضوء إلى صوت مزدوج الرنين باستخدام موجات الترددات الراديوية، وهي الموجات الكهرومغناطيسية في نطاق 1–100 ميغاهرتز. من خلال جني الأرباح من المواد الفائقة المنشورة مؤخرًا والتي تعرض استجابات شبيهة بالبلازما في النطاق الراديوي، نقدم مفهوم "البلازمونات الإشعاعية" التي تتعامل مع البلازمونات السطحية الموضعية في النظام الراديوي. قياساً على البلازمونات التقليدية، يمكن استغلال البلازمونات الإشعاعية لتصميم محولات دقيقة تحول الموجات الراديوية بفعالية إلى حرارة من خلال الامتصاص الكهرومغناطيسي الرنان. بعد ذلك، من خلال ضبط معامل يونغ للمحولات، يمكننا تحقيق اهتزازات صوتية رنانة في نفس نطاق الترددات مثل الرنين البلازمي. وبهذه الطريقة، يتم تحويل التسخين البلازموني إلى تمدد صوتي حراري رنان وما يترتب عليه من توليد موجات الضغط. يمكن بعد ذلك استخدام هذا الأخير للتصوير بالموجات فوق الصوتية. نظهر أنه في إطار الرنين المزدوج هذا، تكون شدة الموجات الصوتية المتولدة أعلى من مستوى الكشف الحالي في ظل ظروف واقعية. ترتبط أهمية استخدام النطاق الراديوي بقدرته على اختراق المياه والأنسجة البيولوجية بعمق. وبالتالي، فإن النهج المقترح يمهد الطريق لأول تصوير صوتي حراري كامل للجسم قادر على الوصول إلى دقة أحادية الخلية.Translated Description (French)
Dans ce travail, nous introduisons une approche radicalement nouvelle pour réaliser une conversion lumière-son doublement résonante avec des ondes radiofréquences, à savoir des ondes électromagnétiques dans la gamme de 1–100 MHz. En tirant profit des métamatériaux récemment publiés présentant des réponses de type plasma dans la gamme radio, nous introduisons le concept de « radioplasmonique » qui traite des plasmons de surface localisés dans le régime radio. En analogie avec la plasmonique conventionnelle, la radioplasmonique peut être exploitée pour concevoir des microtransducteurs qui convertissent efficacement les ondes radio en chaleur par absorption électromagnétique résonante. Ensuite, en accordant le module de Young des transducteurs, nous pouvons obtenir des vibrations acoustiques résonantes dans la même gamme de fréquences que les résonances plasmoniques. De cette manière, le chauffage plasmonique est converti en expansion thermo-acoustique résonante et sa génération consécutive d'ondes de pression. Ce dernier peut ensuite être utilisé pour l'imagerie par ultrasons. Nous montrons que, dans ce cadre de double résonance, l'intensité des ondes acoustiques générées est supérieure au niveau de détection actuel dans des conditions réalistes. L'importance de l'utilisation de la gamme radio est liée à sa capacité à pénétrer profondément dans l'eau et les tissus biologiques. Par conséquent, l'approche proposée ouvre la voie à la première imagerie thermo-acoustique du corps total capable d'atteindre une résolution unicellulaire.Translated Description (Spanish)
En este trabajo, presentamos un enfoque radicalmente nuevo para lograr una conversión de luz a sonido doblemente resonante con ondas de radiofrecuencia, es decir, ondas electromagnéticas en el rango de 1–100 MHz. Al tomar el beneficio de los metamateriales recientemente publicados que exhiben respuestas similares al plasma en el rango de radio, introducimos el concepto de "radioplasmónica" que se ocupa de los plasmones de superficie localizados en el régimen de radio. En analogía con la plasmónica convencional, la radioplasmónica se puede explotar para diseñar microtransductores que conviertan efectivamente las ondas de radio en calor a través de la absorción electromagnética resonante. Luego, al sintonizar el módulo de Young de los transductores, podemos lograr vibraciones acústicas resonantes en el mismo rango de frecuencias que las resonancias plasmónicas. De esta manera, el calentamiento plasmónico se convierte en expansión termoacústica resonante y su consiguiente generación de ondas de presión. Este último se puede utilizar para la obtención de imágenes por ultrasonido. Mostramos que, en este marco de doble resonancia, la intensidad de las ondas acústicas generadas está por encima del nivel de detección actual en condiciones realistas. La importancia de usar el rango de radio está relacionada con su capacidad para penetrar profundamente en el agua y los tejidos biológicos. Por lo tanto, el enfoque propuesto allana el camino para la primera imagen termoacústica de cuerpo completo capaz de alcanzar una resolución de una sola célula.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- البلازمونيات الإشعاعية: المحولات البلازمونية في نظام الترددات الراديوية للتصوير الحراري الصوتي الرنان في الأنسجة العميقة
- Translated title (French)
- Radioplasmonique : Transducteurs plasmoniques dans le régime des radiofréquences pour l'imagerie thermo-acoustique résonante dans les tissus profonds
- Translated title (Spanish)
- Radioplasmónica: transductores plasmónicos en el régimen de radiofrecuencia para imágenes termoacústicas resonantes en tejidos profundos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3118399155
- DOI
- 10.1021/acsphotonics.0c01381
References
- https://openalex.org/W1608510651
- https://openalex.org/W1672766972
- https://openalex.org/W2022896050
- https://openalex.org/W2027436408
- https://openalex.org/W2028419449
- https://openalex.org/W2035059996
- https://openalex.org/W2050023898
- https://openalex.org/W2053745713
- https://openalex.org/W2058871194
- https://openalex.org/W2059906541
- https://openalex.org/W2063561504
- https://openalex.org/W2067203318
- https://openalex.org/W2071010853
- https://openalex.org/W2074798960
- https://openalex.org/W2074875278
- https://openalex.org/W2112968778
- https://openalex.org/W2142848739
- https://openalex.org/W2149458768
- https://openalex.org/W2188109019
- https://openalex.org/W2278892002
- https://openalex.org/W2298890590
- https://openalex.org/W2338262804
- https://openalex.org/W2341993109
- https://openalex.org/W2472308879
- https://openalex.org/W2508966439
- https://openalex.org/W2596472497
- https://openalex.org/W2605218358
- https://openalex.org/W2639919132
- https://openalex.org/W2768893530
- https://openalex.org/W2783159432
- https://openalex.org/W2891750128
- https://openalex.org/W2896383219
- https://openalex.org/W2904246652
- https://openalex.org/W2906084281
- https://openalex.org/W2910766595
- https://openalex.org/W2939711234
- https://openalex.org/W2969454392
- https://openalex.org/W2996213550
- https://openalex.org/W2996511135
- https://openalex.org/W2997092446
- https://openalex.org/W3047645583
- https://openalex.org/W4229755455
- https://openalex.org/W4235775393