德國科學家研製出世界最小超聲波傳感器 比血細胞還小實現超解析度...

2020-11-23 前瞻網

德國科學家研製出世界最小超聲波傳感器 比血細胞還小實現超解析度成像

 Emma Chou • 2020-09-18 16:42:01　來源：前瞻網　E2188G0

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圖片來源：Helmholtz Zentrum Muenchen / Roman Shnaiderman

德國慕尼黑亥姆霍茲中心和慕尼黑工業大學的研究人員研製出了世界上最小的超聲波探測器，它是基於矽晶片上的微型光子電路。這種新探測器的尺寸比一般人的頭髮還小100倍，有了它，比以前小得多的許多特徵都能可視化，從而實現所謂的超解析度成像。

自20世紀50年代醫學超聲成像發展以來，超聲波檢測的核心技術主要集中在利用壓電探測器，將超聲波產生的壓力轉換為電壓。超聲成像的解析度取決於所使用的壓電探測器的大小。減小該尺寸可以得到更高的解析度，並可以提供更小的、密集排列的一維或二維超聲陣列，從而提高區分成像組織或材料特徵的能力。然而，進一步減小壓電探測器的尺寸會極大地影響其靈敏度，使其無法用於實際應用。

利用計算機晶片技術製造光學超聲波探測器

矽光子學技術被廣泛應用於將光學元件小型化並將其密集地封裝在矽晶片的小表面上。雖然矽不表現出任何壓電效應，但它將光限制在小於光學波長的尺寸上的能力已經被廣泛應用於小型光子電路的開發。

慕尼黑亥姆霍茲中心和慕尼黑工業大學的研究人員利用這些小型化光子電路的優勢，建造了世界上最小的超聲波探測器：矽波導-標準隆探測器，簡稱SWED。SWED不是記錄壓電晶體的電壓，而是監測光強通過小型化光子電路傳播的變化。 

SWED的開發者Rami Shnaiderman說:「這是第一次使用比血細胞還小的探測器來檢測超聲波。」「如果一個壓電探測器被小型化到SWED的規模，它的靈敏度將降低1億倍。」

超解析度成像

「由於採用了矽光子學技術，我們能夠在保持高靈敏度的同時將新探測器小型化的程度是驚人的。」研究小組的負責人Vasilis Ntziachristos教授說。SWED的大小約為0.5微米(=0,0005毫米)。這個尺寸所對應的面積至少比在臨床成像應用中使用的最小的壓電探測器小10,000倍。SWED的波長也比超聲波波長小200倍，這意味著它可以用來觀察小於1微米的特徵，這就是所謂的超解析度成像。

便宜的和強大的

由於該技術利用了矽平臺的堅固性和易製造性，可以以壓電式檢測器成本的一小部分生產大量檢測器，使大規模生產成為可能。這對於開發基於超聲波的不同檢測應用是重要的。Shnaiderman補充道:「我們將繼續優化這項技術的每一個參數——靈敏度，大陣列SWED的集成，以及在手持設備和內窺鏡中的實現。」

未來發展及應用

「該探測器最初開發是為了推進光聲成像的性能，這是我們在慕尼黑亥姆霍茲中心中心和慕尼黑工業大學的主要研究方向。然而，我們現在可以預見在更廣泛的傳感和成像領域的應用。」Ntziachristos說。

雖然研究人員的主要目標是應用於臨床診斷和基礎生物醫學研究，但工業應用也可能受益於這項新技術。提高的成像解析度可以研究組織和材料的超細細節。研究的第一步涉及細胞的超解析度光聲成像和組織中的微血管，但SWED也可以用於研究超聲波的基本特性及其與物質之間的相互作用，這在以前是不可能的。

這項研究發表在《自然》雜誌上。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

https://phys.org/news/2020-09-world-smallest-ultrasound-detector.html

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