Forskare vid Helmholtz Zentrum München och Münchens tekniska universitet (TUM) har utvecklat världens minsta ultraljudsdetektor. Den är baserad på miniatyriserade fotoniska kretsar ovanpå ett kiselchip. Med en storlek 100 gånger mindre än ett genomsnittligt människohår, den nya detektorn kan visualisera funktioner som är mycket mindre än tidigare möjligt, vilket leder till så kallad superupplöst bildbehandling.

Sedan utvecklingen av medicinsk ultraljudsavbildning på 1950 -talet kärndetekteringstekniken för ultraljudsvågor har främst fokuserat på att använda piezoelektriska detektorer, som omvandlar trycket från ultraljudsvågor till elektrisk spänning. Bildupplösningen som uppnås med ultraljud beror på storleken på den piezoelektriska detektorn som används. Att minska denna storlek leder till högre upplösning och kan erbjuda mindre, tätt packade en eller tvådimensionella ultraljudsarrays med förbättrad förmåga att särskilja funktioner i den avbildade vävnaden eller materialet. Dock, ytterligare minskning av storleken på piezoelektriska detektorer försämrar deras känslighet dramatiskt, vilket gör dem oanvändbara för praktisk tillämpning.

Använda datortechteknik för att skapa en optisk ultraljudsdetektor

Kisel fotonik teknik används i stor utsträckning för att miniatyrisera optiska komponenter och packa dem tätt på den lilla ytan av ett kiselchip. Även om kisel inte uppvisar någon piezoelektricitet, dess förmåga att begränsa ljus i dimensioner som är mindre än den optiska våglängden har redan i stor utsträckning utnyttjats för utveckling av miniatyriserade fotoniska kretsar.

Forskare vid Helmholtz Zentrum Munchen och TUM utnyttjade fördelarna med de miniatyriserade fotoniska kretsarna och byggde världens minsta ultraljudsdetektor:kiselvågledaren-etalondetektorn, eller SVERIGE. Istället för att registrera spänning från piezoelektriska kristaller, SWED övervakar förändringar i ljusintensitet som sprider sig genom de miniatyriserade fotoniska kretsarna.

"Det här är första gången som en detektor som är mindre än storleken på en blodcell används för att detektera ultraljud med hjälp av kisel fotonik teknik, "säger Rami Shnaiderman, utvecklare av SWED. "Om en piezoelektrisk detektor miniatyriserades till skalan av SWED, det skulle vara 100 miljoner gånger mindre känsligt. "

Superupplöst avbildning

"I vilken utsträckning vi kunde minimera den nya detektorn samtidigt som vi höll hög känslighet på grund av användningen av kiselfotonik var hisnande, "säger prof. Vasilis Ntziachristos, ledare för forskargruppen. SWED -storleken är ungefär en halv mikron (=0, 0005 millimeter). Denna storlek motsvarar ett område som är minst 10, 000 gånger mindre än de minsta piezoelektriska detektorerna som används i kliniska avbildningsapplikationer. SWED är också upp till 200 gånger mindre än den använda ultraljudsvåglängden, vilket innebär att den kan användas för att visualisera funktioner som är mindre än en mikrometer, vilket leder till vad som kallas superupplöst bildbehandling.

Billigt och kraftfullt

Eftersom teknologin drar nytta av robustheten och enkel tillverkning av kiselplattformen, ett stort antal detektorer kan produceras till en liten bråkdel av kostnaden för piezoelektriska detektorer, gör massproduktion genomförbar. Detta är viktigt för att utveckla ett antal olika detekteringsapplikationer baserade på ultraljudsvågor. "Vi kommer att fortsätta att optimera varje parameter i denna teknik - känsligheten, integrationen av SWED i stora matriser, och dess implementering i handhållna enheter och endoskop, "tillägger Shnaiderman.

Framtida utveckling och applikationer

"Detektorn utvecklades ursprungligen för att driva prestanda för optoakustisk avbildning, vilket är ett stort fokus för vår forskning vid Helmholtz Zentrum München och TUM. Dock, vi förutser nu applikationer inom ett bredare område för avkänning och avbildning, "säger Ntziachristos.

Medan forskarna främst siktar på tillämpningar inom klinisk diagnostik och grundläggande biomedicinsk forskning, industriella tillämpningar kan också dra nytta av den nya tekniken. Den ökade bildupplösningen kan leda till att man studerar ultrafina detaljer i vävnader och material. En första undersökningsrad omfattar optoakustisk (fotoakustisk) avbildning av celler och mikrovaskulatur i vävnader, men SWED kan också användas för att studera grundläggande egenskaper hos ultraljudsvågor och deras interaktioner med materia på en skala som inte var möjlig tidigare.

Studien publiceras i Natur .