Helmholtz ZentrumMünchen和慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)的研究人員開發(fā)了世界上最小的超聲波探測器。它基于硅芯片頂部的微型光子電路。這種新型檢測器的尺寸是人類平均頭發(fā)的100倍，因此可以可視化比以前小得多的特征，從而實(shí)現(xiàn)了所謂的超分辨率成像。

自1950年代醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)發(fā)展以來，超聲波的核心檢測技術(shù)主要集中在使用壓電檢測器，該檢測器將超聲波的壓力轉(zhuǎn)換為電壓。用超聲波獲得的成像分辨率取決于所用壓電檢測器的尺寸。減小此尺寸將導(dǎo)致更高的分辨率，并可以提供更小，密集排列的一維或二維超聲陣列，具有更高的辨別成像組織或材料中特征的能力。但是，進(jìn)一步減小壓電檢測器的尺寸會(huì)極大地削弱其靈敏度，從而使其無法用于實(shí)際應(yīng)用。

使用計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)創(chuàng)建光學(xué)超聲波探測器

硅光子技術(shù)被廣泛用于使光學(xué)組件小型化并將它們密集地封裝在硅芯片的小表面上。盡管硅不表現(xiàn)出任何壓電性，但是其將光限制在小于光波長的尺寸的光的能力已被廣泛用于開發(fā)微型光子電路。

Helmholtz Zentrum Munchen和TUM的研究人員利用這些小型化光子電路的優(yōu)勢，構(gòu)建了世界上最小的超聲波探測器：硅波導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)具探測器或SWED。SWED可以監(jiān)控通過微型光子電路傳播的光強(qiáng)度的變化，而不是記錄壓電晶體的電壓。

SWED開發(fā)人員Rami Shnaiderman說：“這是第一次使用小于血細(xì)胞大小的檢測器通過硅光子技術(shù)檢測超聲。” “如果將壓電檢測器小型化至SWED規(guī)模，靈敏度將降低1億倍。”

超分辨率成像

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Vasilis Ntziachristos教授說：“由于采用了硅光子技術(shù)，我們能夠在保持高靈敏度的同時(shí)將新型檢測器小型化的程度令人嘆為觀止。” SWED尺寸約為半微米(= 0,0005毫米)。該尺寸對(duì)應(yīng)的面積至少比臨床成像應(yīng)用中采用的最小壓電檢測器小10,000倍。SWED還比所采用的超聲波波長小200倍，這意味著它可以用于可視化小于1微米的特征，從而導(dǎo)致所謂的超分辨率成像。

便宜又強(qiáng)大

由于該技術(shù)利用了硅平臺(tái)的堅(jiān)固性和易制造性，因此可以以壓電檢測器成本的一小部分生產(chǎn)大量檢測器，從而使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。這對(duì)于基于超聲波開發(fā)許多不同的檢測應(yīng)用程序很重要。Shnaiderman補(bǔ)充說：“我們將繼續(xù)優(yōu)化該技術(shù)的每個(gè)參數(shù)，包括靈敏度，SWED在大型陣列中的集成以及其在手持式設(shè)備和內(nèi)窺鏡中的實(shí)現(xiàn)。”

未來的發(fā)展和應(yīng)用

Ntziachristos說：“ 檢測器最初是為促進(jìn)光聲成像的性能而開發(fā)的，這是我們?cè)贖elmholtz ZentrumMünchen和TUM進(jìn)行研究的主要重點(diǎn)。但是，我們現(xiàn)在可以預(yù)見其在更廣泛的傳感和成像領(lǐng)域的應(yīng)用。”

盡管研究人員的主要目標(biāo)是在臨床診斷和基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用，但工業(yè)應(yīng)用也可能會(huì)從新技術(shù)中受益。增加的成像分辨率可能導(dǎo)致研究組織和材料中的超細(xì)細(xì)節(jié)。研究的第一線涉及細(xì)胞和組織中微血管的超分辨率光聲(光聲)成像，但是SWED還可以用于研究超聲波的基本特性及其與物質(zhì)的相互作用，其規(guī)模是以前不可能的。 。

該研究發(fā)表在《自然》上。