Самый маленький в мире оптический ультразвуковой детектор

Ученые Центра им. Гельмгольца в Мюнхене и Мюнхенского технического университета разработали самый маленький в мире ультразвуковой детектор. Он основан на миниатюрных фотонных схемах, размещенных поверх кремниевого чипа. Благодаря размеру, в 100 раз меньшему, чем волос обычного человека, новый детектор способен визуализировать функции, значительно меньшие, чем это было возможно ранее, что приводит к возможности получения изображения сверхвысокого разрешения.

Информация об этой разработке была опубликована в журнале Nature.

С момента развития медицинской ультразвуковой визуализации в 1950-х годах, основные технологии обнаружения ультразвуковых волн в первую очередь сосредоточены на использовании пьезоэлектрических детекторов, которые преобразуют давление из ультразвуковых волн в электрическое напряжение. Разрешение изображения, достигаемое с помощью ультразвука, зависит от размера используемого пьезоэлектрического детектора. Уменьшение этого размера приводит к более высокому разрешению и может предложить более компактные, плотно упакованные одно- или двухмерные ультразвуковые массивы с улучшенной способностью различать признаки в изображаемой ткани или материале. Однако дальнейшее уменьшение размеров пьезоэлектрических детекторов резко ухудшает их чувствительность, делая их непригодными для практического применения.

Технология кремниевой фотоники широко используется для миниатюризации оптических компонентов и плотной упаковки их на малой поверхности кремниевого чипа. Исследователи воспользовались преимуществами этих миниатюрных фотонных схем и создали самый маленький в мире ультразвуковой детектор: кремниевый волноводно-эталонный детектор (silicon waveguide-etalon detector или SWED). Вместо регистрации напряжения от пьезоэлектрических кристаллов, SWED отслеживает изменения интенсивности света, распространяющегося по миниатюрным фотонным схемам.

Размеры детектора не превышают 0,5 микрометра, т.е. он меньше эритроцита и в двести раз меньше длины волны ультразвука. Благодаря этому сканер, оснащенный множеством таких детекторов, сможет получать очень подробные изображения — как будто органы рассматриваются под микроскопом. Размер SWED соответствует площади, которая как минимум в 10 000 раз меньше, чем у самых маленьких пьезоэлектрических детекторов, используемых в клинической визуализации.

По словам разработчиков,

Впервые для обнаружения ультразвука с помощью кремниевой фотоники используется детектор размером меньше, чем размер клетки крови. Если бы пьезоэлектрический детектор был уменьшен до масштабов SWED, он был бы в 100 миллионов раз менее чувствительным.

Отметим, что, так как технология основана на прочности и простоте изготовления кремниевой платформы, большое количество детекторов может быть произведено за небольшую долю стоимости пьезоэлектрических детекторов, что делает возможным их серийное производство.