Piepkleine detector brengt ons echo’s met superresolutie

Het onderzoek is verschenen in Nature.

Sinds de ontwikkeling van medische echografie in de jaren vijftig is de detectietechnologie van ultrasound voornamelijk gericht op het gebruik van piëzo-elektrische detectoren, die de druk van ultrasone golven omzetten in elektrische spanning. De beeldresolutie die hiermee wordt bereikt, hangt af van de grootte van de gebruikte piëzo-elektrische detector. Het verkleinen hiervan leidt tot een hogere resolutie en kan kleinere, dicht opeengepakte een- of tweedimensionale ultrasone informatiereeksen bieden met een verbeterd vermogen om kenmerken in het afgebeelde weefsel of materiaal te onderscheiden. Het verder verkleinen van de grootte van piëzo-elektrische detectoren schaadt hun gevoeligheid echter dramatisch, waardoor ze onbruikbaar worden voor praktische toepassing.

Silicium-fotonica-technologie wordt veel gebruikt om optische componenten te verkleinen en ze dicht opeen te pakken op het kleine oppervlak van een siliciumchip. Hoewel silicium geen piëzo-elektriciteit vertoont, is zijn vermogen om licht te bundelen in golflengtes die kleiner zijn dan de optische golflengte al op grote schaal gebruikt voor de ontwikkeling van geminiaturiseerde fotonische circuits.

De onderzoekers profiteerden van de voordelen van die geminiaturiseerde fotonische circuits en bouwden ‘s werelds kleinste ultrasone detector: de silicium waveguide-etalon detector (Swed). Swed monitort veranderingen in de intensiteit van licht dat zich voortbeweegt door de geminiaturiseerde fotonische circuits.

 "Dit is de eerste keer dat een detector kleiner dan de grootte van een bloedcel wordt gebruikt om ultrasoon geluid te detecteren met behulp van de silicium-fotonica-technologie", zegt ontwikkelaar Rami Shnaiderman. "Als een piëzo-elektrische detector op deze schaal geminiaturiseerd zou worden, zou hij 100 miljoen keer minder gevoelig zijn."

Goedkoop en krachtig

"De mate waarin we de nieuwe detector konden miniaturiseren met behoud van een hoge gevoeligheid door het gebruik van siliciumfotonica was adembenemend", zegt directeur Vasilis Ntziachristos van het Instituut voor Biologische en Medische Beeldvorming in Helmholtz. De Swed is ongeveer een halve micron groot. Dit komt overeen met een gebied dat minstens 10.000 keer kleiner is dan de kleinste piëzo-elektrische detectoren die worden gebruikt in klinische beeldvormingstoepassingen. Hij is ook tot 200 keer kleiner dan de gebruikte ultrasone golflengte, wat hem geschikt maakt om kenmerken te visualiseren die kleiner zijn dan één micrometer. Dit leidt tot zogenoemde superresolutiebeelden.

Omdat de technologie profiteert van de robuustheid en gemakkelijke maakbaarheid van het siliciumplatform, kunnen grote aantallen detectoren worden geproduceerd tegen een fractie van de kosten van piëzo-elektrische detectoren, waardoor massaproductie mogelijk wordt. Dit is belangrijk voor het ontwikkelen van een aantal verschillende detectietoepassingen op basis van ultrasound. "We zullen elke parameter van deze technologie optimaliseren: de gevoeligheid, de integratie van Swed in grote opstellingen en de implementatie ervan in draagbare apparaten en endoscopen", zegt Shnaiderman.