Onderzoekers van Helmholtz Zentrum München en de Technische Universiteit van München (TUM) hebben 's werelds kleinste ultrasone detector ontwikkeld. Het is gebaseerd op geminiaturiseerde fotonische circuits bovenop een siliciumchip. Met een maat die 100 keer kleiner is dan een gemiddeld mensenhaar, de nieuwe detector kan functies visualiseren die veel kleiner zijn dan voorheen mogelijk was, wat leidt tot wat bekend staat als beeldvorming met superresolutie.

Sinds de ontwikkeling van medische echografie in de jaren vijftig, de kerndetectietechnologie van ultrasone golven is voornamelijk gericht op het gebruik van piëzo-elektrische detectoren, die de druk van ultrasone golven omzetten in elektrische spanning. De beeldresolutie die met ultrageluid wordt bereikt, hangt af van de grootte van de gebruikte piëzo-elektrische detector. Het verkleinen van deze grootte leidt tot een hogere resolutie en kan kleinere, dicht opeengepakte een- of tweedimensionale ultrasone arrays met verbeterd vermogen om kenmerken in het afgebeelde weefsel of materiaal te onderscheiden. Echter, het verder verkleinen van piëzo-elektrische detectoren vermindert hun gevoeligheid aanzienlijk, waardoor ze onbruikbaar zijn voor praktische toepassing.

Computerchiptechnologie gebruiken om een ​​optische ultrasone detector te maken

Siliciumfotonica-technologie wordt veel gebruikt om optische componenten te miniaturiseren en dicht op elkaar te pakken op het kleine oppervlak van een siliciumchip. Hoewel silicium geen piëzo-elektriciteit vertoont, zijn vermogen om licht te beperken tot kleinere afmetingen dan de optische golflengte is al op grote schaal benut voor de ontwikkeling van geminiaturiseerde fotonische circuits.

Onderzoekers van Helmholtz Zentrum Munchen en TUM profiteerden van de voordelen van die geminiaturiseerde fotonische circuits en bouwden 's werelds kleinste ultrasone detector:de silicium golfgeleider-etalon detector, of ZWEDEN. In plaats van het opnemen van spanning van piëzo-elektrische kristallen, SWED bewaakt veranderingen in lichtintensiteit die zich voortplanten door de geminiaturiseerde fotonische circuits.

"Dit is de eerste keer dat een detector kleiner dan de grootte van een bloedcel wordt gebruikt om ultrageluid te detecteren met behulp van de siliciumfotonica-technologie, " zegt Rami Shnaiderman, ontwikkelaar van SWED. "Als een piëzo-elektrische detector werd verkleind tot de schaal van SWED, het zou 100 miljoen keer minder gevoelig zijn."

Beeldvorming met superresolutie

"De mate waarin we de nieuwe detector konden miniaturiseren met behoud van een hoge gevoeligheid door het gebruik van siliciumfotonica was adembenemend, " zegt prof. Vasilis Ntziachristos, leider van het onderzoeksteam. De SWED-grootte is ongeveer een halve micron (=0, 0005 millimeter). Deze maat komt overeen met een oppervlakte van minimaal 10, 000 keer kleiner dan de kleinste piëzo-elektrische detectoren die worden gebruikt in klinische beeldvormingstoepassingen. De SWED is ook tot 200 keer kleiner dan de gebruikte ultrasone golflengte, wat betekent dat het kan worden gebruikt om kenmerken te visualiseren die kleiner zijn dan één micrometer, wat leidt tot wat superresolutiebeeldvorming wordt genoemd.

Goedkoop en krachtig

Omdat de technologie profiteert van de robuustheid en gemakkelijke produceerbaarheid van het siliciumplatform, grote aantallen detectoren kunnen worden geproduceerd tegen een kleine fractie van de kosten van piëzo-elektrische detectoren, massaproductie mogelijk maken. Dit is belangrijk voor het ontwikkelen van een aantal verschillende detectietoepassingen op basis van ultrasone golven. "We zullen elke parameter van deze technologie blijven optimaliseren - de gevoeligheid, de integratie van SWED in grote arrays, en de implementatie ervan in draagbare apparaten en endoscopen, ", voegt Shnaiderman toe.

Toekomstige ontwikkeling en toepassingen

"De detector is oorspronkelijk ontwikkeld om de prestaties van opto-akoestische beeldvorming te stimuleren, dat is een belangrijk aandachtspunt van ons onderzoek bij Helmholtz Zentrum München en TUM. Echter, we voorzien nu toepassingen in een breder veld van sensing en imaging, ', zegt Ntziachristos.

Terwijl de onderzoekers zich vooral richten op toepassingen in klinische diagnostiek en fundamenteel biomedisch onderzoek, industriële toepassingen kunnen ook profiteren van de nieuwe technologie. De verhoogde beeldresolutie kan leiden tot het bestuderen van ultrafijne details in weefsels en materialen. Een eerste onderzoekslijn omvat opto-akoestische (fotoakoestische) beeldvorming met superresolutie van cellen en microvasculatuur in weefsels, maar de SWED kan ook worden gebruikt om fundamentele eigenschappen van ultrasone golven en hun interacties met materie te bestuderen op een schaal die voorheen niet mogelijk was.

De studie is gepubliceerd in Natuur .