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

2020-09-18 前瞻網

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

相關焦點

  • 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...
    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:
  • 德國的科學家成功地開發出最小的超聲波探測器，比血細胞更小
    德國的科學家成功地開發出有史以來最小的超聲波探測器，它比血細胞小，並為所謂的超解析度成像開闢了新的可能性。研究人員將結果描述為「令人嘆為觀止」，並希望這項技術可以允許對生物組織進行前所未有的詳細研究。由德國環境健康研究中心和慕尼黑工業大學的科學家共同開發的新設備代表了與傳統超聲成像技術之間的某種背離，後者通常依賴於所謂的壓電設備，吸收超聲波產生的壓力並將其轉化為電壓。
  • 全球最小的超音波探測器被研製出來，比血細胞還小
    據外媒報導，德國科學家成功研製出有史以來最小的超聲波探測器，它不僅比血細胞還小，而且還為超解析度成像開闢了新的可能性。研究人員稱這一結果令人震驚並希望這項技術能對生物組織展開前所未有的詳細研究。，後者通常依賴於壓電設備--超聲波產生的壓力會把它變成一個電壓。
  • 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
    圖片來源：©Helmholtz Zentrum Muenchen / Roman ShnaidermanHelmholtz 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。
  • 研究人員開發了世界上最小的超聲波探測器
    圖片來源：Helmholtz Zentrum Muenchen / Roman ShnaidermanHelmholtz 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。
  • 比頭髮直徑還要小100倍的超聲波探頭!
    比頭髮直徑還要小100倍的超聲波探頭！
  • 陳根：打造全球最小超聲波探測器，突破研究局限
    現在，德國慕尼黑技術大學（TUM）和赫爾姆霍茲-岑楚姆大學（Helmholtz Zentrumünchen）的研究人員則突破了這一局限，通過矽光子學的成像技術，開發出了世界上最小的超聲波探測器。這種新型探測器的尺寸比普通人的頭髮要小100倍，因此它可以顯示出比先前可能要小得多的特徵，從而實現所謂的超解析度成像。其研究結果已發表在《自然》上。
  • 最小超聲波探測器，只有髮絲百分之一大！
    德國慕尼黑赫姆霍茨中心（Helmholtz Zentrum München）和慕尼黑工業大學（TUM）的研究人員開發了世界上最小的一個超聲波探測器，只有一根頭髮百分之一的大小，卻具有超解析度成像的能力。
  • 打破阿貝衍射極限，超解析度顯微鏡毫秒級成像，看百萬分之一毫米
    它可以使微小的細胞結構可見：尖端光學顯微鏡提供十分之幾納米的解析度，換句話說為百萬分之一毫米。到目前為止，超解析度顯微鏡比傳統方法慢得多，因為必須記錄更多或更精細的圖像數據。與耶拿的合作夥伴一起，比勒費爾德大學科學家現在已經進一步開發了超解析度SR-SIM過程。
  • 晶片實驗室:開發微型超解析度光學顯微鏡
    想像一下，把顯微鏡縮小，然後將其與晶片集成在一起，就可以使用它實時觀察活細胞內部。如果像今天的智慧型手機相機一樣，可以將這種微型顯微鏡也集成到電子產品中，那不是很好嗎？如果醫生設法使用這種工具在偏遠地區進行診斷而又不需要大型、笨重和敏感的分析設備，該怎麼辦？
  • 【學術前沿】陳良怡/王靜敏團隊合作利用活細胞超解析度成像預測...
    【學術前沿】陳良怡/王靜敏團隊合作利用活細胞超解析度成像預測佩梅病臨床疾病表型以及篩選精準對症藥物 2020-09-10 16:58 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 最新Nature:基於矽絕緣體的超高靈敏度和納米級諧振器用於超聲波檢測
    【引言】 超聲波檢測器使用高頻聲波對物體成像並測量距離，但是這些讀數的解析度受到探測元件物理尺寸的限制。點狀的寬帶超聲檢測可以大大提高超聲和光聲（光）成像的解析度，但目前的超聲檢測器，諸如那些用於醫學成像，不能充分地小型化。
  • 可酶激活的工程DNA酶傳感器實現金屬離子的細胞選擇性成像
    可酶激活的工程DNA酶傳感器實現金屬離子的細胞選擇性成像 作者：小柯機器人 發布時間：2021/1/7 13:43:03 國家納米科學中心Lele Li研究團隊取得一項新突破。
  • 美國研製出世界最小的微型機器人(圖)
    > 美國研製出世界最小的微型機器人(圖) 2001年6月20日09:14　北京青年報 　　美國山迪亞國家實驗室的科學家，日前成功研製了世界上最小的微型機器人，這微型機器人體積只有1/4立方寸，體重小於一盎司
  • 壓電掃描臺:基於二維壓電透射式微掃描器的紅外超解析度成像
    在各類成像應用中，一般都需要高解析度的圖像。例如在國防、醫療、科研、軍事等各領域中，高解析度的圖像更有助於監控、診斷、研究、偵查等。然而，在各種場合，圖像解析度往往不能滿足應用的要求。因此，為了在目前的探測器上實現高解析度的成像，超解析度技術得以出現和發展。
  • 潘雷霆:2014年諾貝爾化學獎-超分辨光學成像小談
    1873年，德國科學家阿貝（Abbe）根據衍射理論首次推導出遠場衍射分辨極限（阿貝提出的空間頻譜的概念，為日後顯微鏡發展奠定堅實的基礎，其中荷蘭科學家澤尼克基於該思想發明了相差顯微鏡，獲得1953年諾貝爾物理學獎）。
  • 全球首個最小超聲波傳感器面世,不受表面影響可穿透任意厚度材料
    這是全球首個也是最小的超聲波傳感器，幾乎可以穿透任何厚度的材料，包括金屬、玻璃、木材、陶瓷和塑料等，以進行觸覺感知。該新傳感器可以應用於國防部門等多個領域，還可應用於家具、電子產品、醫療設備以及自動駕駛汽車等。
  • 用於機器人的超聲波傳感器模塊
    由於超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用於距離的測量，如測距儀和物位測量儀等,都可以通過超聲波來實現。超聲波傳感器接上電源可以單獨作為超聲波測距使用， 超聲波傳感器還可以指定從單片機I/O埠上輸出分段距離檢測信號，可以直接裝在機器人上，作為尋物、避障探測等應用。下面讓我們以韓國Hagisonic 機器人超聲波傳感器模塊 - HG-M40系列、HG-L40系列一起來了解用於機器人的超聲波傳感器模塊具體方案。
  • 超聲波避障傳感器及超聲波測距傳感器在機器人中的應用
    當然，這就產生了多傳感器信息的融合處理的問題，增大了信息處理的工作量和難度。除了這種傳感器避障方法，還有很多其他方法融合處理多種傳感器信息，讓全自主機器人實現完美避障，比如：超聲波聲波避障控制法能夠實時監測長距離超聲波傳感器，為機器人搜索開闊路徑。當機器人離障礙物還有一定距離時，超聲波傳感器就能夠檢測到相關信息，並據此控制機器人離開。
  • 超解析度隨機光學重建顯微鏡了解一下
    如今，科學家們已經研發了多種超解析度技術，遠遠超出了衍射J限，能夠觀察到分子尺度的細節。SRM技術可以將細胞結構解析為亞細胞水平，從而獲取有關細胞組分的3D結構的信息，並可以觀察到單分子共定位。圖1：在普通光學顯微鏡中，成像是通過將來自點光源的光線會聚到像平面上的單個點來實現的