德國(guó)科學(xué)家研制可用于超分辨率成像的最小超聲波傳感器

德國(guó)慕尼黑亥姆霍茲中心和慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員研制出了世界上最小的超聲波探測(cè)器，它是基于硅芯片上的微型光子電路。這種新探測(cè)器的尺寸比一般人的頭發(fā)還小100倍，有了它，比以前小得多的許多特征都能可視化，從而實(shí)現(xiàn)所謂的超分辨率成像。

自20世紀(jì)50年代醫(yī)學(xué)超聲成像發(fā)展以來(lái)，超聲波檢測(cè)的核心技術(shù)主要集中在利用壓電探測(cè)器，將超聲波產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換為電壓。超聲成像的分辨率取決于所使用的壓電探測(cè)器的大小。減小該尺寸可以得到更高的分辨率，并可以提供更小的、密集排列的一維或二維超聲陣列，從而提高區(qū)分成像組織或材料特征的能力。然而，進(jìn)一步減小壓電探測(cè)器的尺寸會(huì)極大地影響其靈敏度，使其無(wú)法用于實(shí)際應(yīng)用。

利用計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)制造光學(xué)超聲波探測(cè)器

硅光子學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于將光學(xué)元件小型化并將其密集地封裝在硅芯片的小表面上。雖然硅不表現(xiàn)出任何壓電效應(yīng)，但它將光限制在小于光學(xué)波長(zhǎng)的尺寸上的能力已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于小型光子電路的開(kāi)發(fā)。

慕尼黑亥姆霍茲中心和慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員利用這些小型化光子電路的優(yōu)勢(shì)，建造了世界上最小的超聲波探測(cè)器：硅波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)隆探測(cè)器，簡(jiǎn)稱(chēng)SWED。SWED不是記錄壓電晶體的電壓，而是監(jiān)測(cè)光強(qiáng)通過(guò)小型化光子電路傳播的變化。

SWED的開(kāi)發(fā)者Rami Shnaiderman說(shuō):“這是第一次使用比血細(xì)胞還小的探測(cè)器來(lái)檢測(cè)超聲波?！薄叭绻粋€(gè)壓電探測(cè)器被小型化到SWED的規(guī)模，它的靈敏度將降低1億倍。”

超分辨率成像

“由于采用了硅光子學(xué)技術(shù)，我們能夠在保持高靈敏度的同時(shí)將新探測(cè)器小型化的程度是驚人的?！毖芯啃〗M的負(fù)責(zé)人Vasilis Ntziachristos教授說(shuō)。SWED的大小約為0.5微米(=0,0005毫米)。這個(gè)尺寸所對(duì)應(yīng)的面積至少比在臨床成像應(yīng)用中使用的最小的壓電探測(cè)器小10,000倍。SWED的波長(zhǎng)也比超聲波波長(zhǎng)小200倍，這意味著它可以用來(lái)觀察小于1微米的特征，這就是所謂的超分辨率成像。

便宜的和強(qiáng)大的

由于該技術(shù)利用了硅平臺(tái)的堅(jiān)固性和易制造性，可以以壓電式檢測(cè)器成本的一小部分生產(chǎn)大量檢測(cè)器，使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。這對(duì)于開(kāi)發(fā)基于超聲波的不同檢測(cè)應(yīng)用是重要的。Shnaiderman補(bǔ)充道:“我們將繼續(xù)優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)的每一個(gè)參數(shù)——靈敏度，大陣列SWED的集成，以及在手持設(shè)備和內(nèi)窺鏡中的實(shí)現(xiàn)。”

未來(lái)發(fā)展及應(yīng)用

“該探測(cè)器最初開(kāi)發(fā)是為了推進(jìn)光聲成像的性能，這是我們?cè)谀侥岷诤ツ坊羝澲行闹行暮湍侥岷诠I(yè)大學(xué)的主要研究方向。然而，我們現(xiàn)在可以預(yù)見(jiàn)在更廣泛的傳感和成像領(lǐng)域的應(yīng)用?！盢tziachristos說(shuō)。

雖然研究人員的主要目標(biāo)是應(yīng)用于臨床診斷和基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究，但工業(yè)應(yīng)用也可能受益于這項(xiàng)新技術(shù)。提高的成像分辨率可以研究組織和材料的超細(xì)細(xì)節(jié)。研究的第一步涉及細(xì)胞的超分辨率光聲成像和組織中的微血管，但SWED也可以用于研究超聲波的基本特性及其與物質(zhì)之間的相互作用，這在以前是不可能的。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上。