超高解析度成像：世界上最小的超聲波檢測儀研發成功-比血細胞小

帶有多個檢測器的矽晶片（約3 mm x 6 mm）。晶片表面上的黑色細刻痕是使檢測器互連的光子電路（肉眼看不見）。在背景中，在矽晶片上有較大規模的光子電路。圖片來源：©Helmholtz Zentrum Muenchen / Roman Shnaiderman

Helmholtz ZentrumMünchen和慕尼黑工業大學（TUM）的研究人員開發了世界上最小的超聲波探測器。它基於矽晶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髮的100倍，因此可以可視化比以前小得多的特徵，從而實現了所謂的超解析度成像。

自1950年代醫學超聲成像技術發展以來，超聲波的核心檢測技術主要集中在使用壓電檢測器，該檢測器將超聲波的壓力轉換為電壓。用超聲波獲得的成像解析度取決於所用壓電檢測器的尺寸。減小此尺寸將導致更高的解析度，並可以提供更小，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徵的能力。但是，進一步減小壓電檢測器的尺寸會極大地削弱其靈敏度，從而使其無法用於實際應用。

使用計算機晶片技術創建光學超聲波探測器

矽光子技術被廣泛用於使光學組件小型化並將它們密集地封裝在矽晶片的小表面上。儘管矽不表現出任何壓電性，但是其將光限制在小於光波長的尺寸的光的能力已被廣泛用於開發微型光子電路。

Helmholtz ZentrumMünchen和TUM的研究人員利用這些小型化光子電路的優勢，製造了世界上最小的超聲波探測器：矽波導標準具探測器或SWED。SWED可以監控通過微型光子電路傳播的光強度的變化，而不是記錄壓電晶體的電壓。

SWED開發人員Rami Shnaiderman說：「這是第一次使用小於血細胞大小的檢測器通過矽光子技術檢測超聲。」 「如果將壓電檢測器小型化至SWED規模，靈敏度將降低1億倍。」

超解析度成像

研究團隊負責人Vasilis Ntziachristos教授說：「由於採用了矽光子技術，我們能夠在保持高靈敏度的同時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）。該尺寸對應的面積至少比臨床成像應用中採用的最小壓電檢測器小10,000倍。SWED還比所採用的超聲波波長小200倍，這意味著它可以用於可視化小於1微米的特徵，從而導致所謂的超解析度成像。

便宜又強大

由於該技術利用了矽平臺的堅固性和易製造性，因此可以以壓電檢測器成本的一小部分生產大量檢測器，從而使大規模生產成為可能。這對於基於超聲波開發許多不同的檢測應用程式很重要。「我們將繼續優化該技術的每個參數-靈敏度，SWED在大型陣列中的集成以及其在手持式設備和內窺鏡中的實現，」 Shnaiderman補充道。

未來的發展和應用

「該探測器最初是為促進光聲成像的性能而開發的，這是我們在Helmholtz ZentrumMünchen和TUM進行研究的主要重點。但是，我們現在可以預見在更廣泛的傳感和成像領域中的應用。」 Ntziachristos說。

儘管研究人員的主要目標是在臨床診斷和基礎生物醫學研究中應用，但工業應用也可能會從新技術中受益。增加的成像解析度可能導致研究組織和材料中的超細細節。研究的第一線涉及細胞和組織中微血管的超解析度光聲（光聲）成像，但是SWED還可以用於研究超聲波的基本特性及其與物質的相互作用，其規模是以前不可能的。 。