Forskere udvikler verdens mindste ultralydsdetektor

Forskere ved Helmholtz Zentrum München og Münchens tekniske universitet (TUM) har udviklet verdens mindste ultralydsdetektor. Det er baseret på miniaturiserede fotoniske kredsløb oven på en siliciumchip. Med en størrelse 100 gange mindre end et gennemsnitligt menneskehår, den nye detektor kan visualisere funktioner, der er meget mindre end tidligere muligt, fører til det, der er kendt som superopløsningsbilleddannelse.

Siden udviklingen af ​​medicinsk ultralydsbillede i 1950'erne, kernedetekteringsteknologien til ultralydsbølger har primært fokuseret på at bruge piezoelektriske detektorer, som omdanner trykket fra ultralydsbølger til elektrisk spænding. Billedopløsningen opnået med ultralyd afhænger af størrelsen af ​​den anvendte piezoelektriske detektor. Reduktion af denne størrelse fører til højere opløsning og kan tilbyde mindre, tætpakket et eller todimensionalt ultralydsarrays med forbedret evne til at skelne mellem funktioner i det afbildede væv eller materiale. Imidlertid, yderligere reducering af størrelsen af ​​piezoelektriske detektorer forringer deres følsomhed dramatisk, gør dem ubrugelige til praktisk anvendelse.

Brug af computerchipteknologi til at oprette en optisk ultralydsdetektor

Silicon fotonik teknologi bruges i vid udstrækning til at miniaturisere optiske komponenter og tæt pakke dem på den lille overflade af en silicium chip. Selvom silicium ikke udviser nogen piezoelektricitet, dets evne til at begrænse lys i dimensioner, der er mindre end den optiske bølgelængde, er allerede blevet udnyttet i vid udstrækning til udvikling af miniaturiserede fotoniske kredsløb.

Forskere ved Helmholtz Zentrum Munchen og TUM udnyttede fordelene ved disse miniaturiserede fotoniske kredsløb og byggede verdens mindste ultralydsdetektor:siliciumbølgeleder-etalondetektoren, eller SVERIGE. I stedet for at registrere spænding fra piezoelektriske krystaller, SWED overvåger ændringer i lysintensitet, der formerer sig gennem de miniaturiserede fotoniske kredsløb.

"Det er første gang, at en detektor, der er mindre end størrelsen på en blodlegeme, bruges til at detektere ultralyd ved hjælp af silicium fotonik teknologi, "siger Rami Shnaiderman, udvikler af SWED. "Hvis en piezoelektrisk detektor blev miniaturiseret til omfanget af SWED, det ville være 100 millioner gange mindre følsomt. "

Superopløsningsbilleddannelse

"I hvilken grad vi var i stand til at miniaturisere den nye detektor, samtidig med at vi bevarede høj følsomhed på grund af brugen af ​​siliciumfotonik, var betagende, "siger prof. Vasilis Ntziachristos, leder af forskergruppen. SWED -størrelsen er omkring en halv mikron (=0, 0005 millimeter). Denne størrelse svarer til et område, der er mindst 10, 000 gange mindre end de mindste piezoelektriske detektorer, der anvendes i kliniske billeddannelsesapplikationer. SWED er også op til 200 gange mindre end den anvendte ultralydsbølgelængde, hvilket betyder, at det kan bruges til at visualisere funktioner, der er mindre end en mikrometer, fører til det, der kaldes superopløsningsbilleddannelse.

Billig og kraftfuld

Da teknologien udnytter robustheden og den nemme fremstillingsevne af siliciumplatformen, et stort antal detektorer kan produceres til en lille brøkdel af prisen på piezoelektriske detektorer, gør masseproduktion mulig. Dette er vigtigt for at udvikle en række forskellige detektionsapplikationer baseret på ultralydsbølger. "Vi vil fortsætte med at optimere alle parametre i denne teknologi - følsomheden, integrationen af ​​SWED i store arrays, og dens implementering i håndholdte enheder og endoskoper, "tilføjer Shnaiderman.

Fremtidig udvikling og applikationer

"Detektoren blev oprindeligt udviklet til at drive ydeevnen ved optoakustisk billeddannelse, hvilket er et stort fokus for vores forskning på Helmholtz Zentrum München og TUM. Imidlertid, vi forudser nu applikationer inden for et bredere felt af sansning og billeddannelse, "siger Ntziachristos.

Mens forskerne primært sigter mod anvendelser inden for klinisk diagnostik og grundlæggende biomedicinsk forskning, industrielle applikationer kan også drage fordel af den nye teknologi. Den øgede billedopløsning kan føre til at studere ultrafine detaljer i væv og materialer. En første undersøgelseslinje involverer optoakustisk (fotoakustisk) billeddannelse af celler og mikro-vaskulatur i væv, men SWED kunne også bruges til at studere grundlæggende egenskaber ved ultralydsbølger og deres interaktioner med stof på en skala, der ikke var mulig før.

Undersøgelsen er offentliggjort i Natur .