Исследователи из Мюнхенского Центра Гельмгольца и Мюнхенского Технического университета (TUM) разработали самый маленький в мире ультразвуковой детектор. Он основан на миниатюрных фотонных схемах поверх кремниевого чипа. Имея размер в 100 раз меньше среднего человеческого волоса, новый детектор может визуализировать объекты, которые намного меньше, чем это было возможно ранее, что приводит к тому, что известно как изображение сверх разрешения.
С момента развития медицинской ультразвуковой визуализации в 1950-х годах основная технология обнаружения ультразвуковых волн была в основном сосредоточена на использовании пьезоэлектрических детекторов, которые преобразуют давление ультразвуковых волн в электрическое напряжение. Разрешение изображения, получаемое с помощью ультразвука, зависит от размера используемого пьезоэлектрического детектора.
Уменьшение этого размера приводит к более высокому разрешению и может предложить меньшие, плотно упакованные одномерные или двумерные ультразвуковые матрицы с улучшенной способностью различать особенности в изображаемой ткани или материале. Однако дальнейшее уменьшение размеров пьезоэлектрических детекторов резко ухудшает их чувствительность, делая их непригодными для практического применения. Использование технологии компьютерных чипов для создания оптического ультразвукового детектора.
Технология кремниевой фотоники широко используется для миниатюризации оптических компонентов и плотной упаковки их на небольшой поверхности кремниевого чипа. Хотя кремний не проявляет никакого пьезоэлектричества, его способность ограничивать свет в размерах, меньших оптической длины волны, уже широко используется для разработки миниатюрных фотонных схем.
Исследователи из Helmholtz Zentrum München и TUM воспользовались преимуществами этих миниатюрных фотонных схем и построили самый маленький в мире ультразвуковой детектор: кремниевый волновод-эталонный детектор, или SWED. Вместо того чтобы регистрировать напряжение от пьезокристаллов, СВЭД отслеживает изменения интенсивности света, распространяющегося по миниатюрным фотонным схемам.
Это первый случай, когда детектор размером меньше клетки крови используется для обнаружения ультразвука с использованием технологии кремниевой фотоники, говорит Рами Шнайдерам, разработчик SWED. Если бы пьезоэлектрический детектор был милитаризирован до масштаба шведа, он был бы в 100 миллионов раз менее чувствителен.
Изображение сверх разрешением.
Степень, в которой мы смогли милитаризировать новый детектор, сохранив при этом высокую чувствительность благодаря использованию кремниевой фотоники, была захватывающей, говорит профессор Василис Христоф, руководитель исследовательской группы. Размер шведа составляет около полу микрона (=0,0005 миллиметра). Этот размер соответствует площади, которая по меньшей мере в 10 000 раз меньше, чем самые маленькие пьезоэлектрические детекторы, используемые в клинических приложениях визуализации.
SWED также до 200 раз меньше используемой длины волны ультразвука, что означает, что он может быть использован для визуализации объектов, которые меньше одного микрометра, что приводит к тому, что называется визуализацией сверх разрешения.
Недорогой и мощный.
По мере того как технология извлекает выгоду из надежности и легкой технологичности Кремниевой платформы, большое количество детекторов может быть произведено при небольшой доле стоимости пьезоэлектрических детекторов, что делает возможным массовое производство. Это важно для разработки ряда различных приложений обнаружения, основанных на ультразвуковых волнах.
Мы продолжим оптимизировать каждый параметр этой технологии-чувствительность, интеграцию СВЭД в большие массивы, а также ее внедрение в ручные приборы и эндоскопы.
Будущие разработки и приложения.
Детектор был первоначально разработан для повышения производительности оптоакустической визуализации, которая является основным направлением наших исследований в Helmholtz Zentrum München и TUM. Однако теперь мы предвидим применение в более широкой области зондирования и визуализации, говорит Христоф.
В то время как исследователи в основном нацелены на применение в клинической диагностике и фундаментальных биомедицинских исследованиях, промышленные приложения также могут извлечь выгоду из новой технологии. Повышенное разрешение изображения может привести к изучению сверхтонких деталей в тканях и материалах.
Первая линия исследований включает в себя сверх разрешающую оптоакустическую (фото акустическую) визуализацию клеток и микро-сосудистой сети в тканях, но СВЭД может также использоваться для изучения фундаментальных свойств ультразвуковых волн и их взаимодействия с веществом в масштабе, который ранее был невозможен.
Сотрудничество и патентование.
Институт биологической и медицинской визуализации в Мюнхене имени Гельмгольца, кафедра биологической визуализации в TUM и TranslaTUM-Центральный институт трансляционных исследований рака в университетской больнице TUM Klinikum Rechts der Isar-внесли равный вклад в эту новую технологию. Защита интеллектуальных аспектов этой технологии продолжается.