德國慕尼黑亥姆霍茲中心和慕尼黑工業(yè)大學的研究人員研制出了世界上最小的超聲波探測器，它是基于硅芯片上的微型光子電路。這種新探測器的尺寸比一般人的頭發(fā)還小100倍，有了它，比以前小得多的許多特征都能可視化，從而實現(xiàn)所謂的超分辨率成像。

（圖片來源：Helmholtz Zentrum Muenchen / Roman Shnaiderman）

自20世紀50年代醫(yī)學超聲成像發(fā)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。超聲成像的分辨率取決于所使用的壓電探測器的大小。減小該尺寸可以得到更高的分辨率，并可以提供更小的、密集排列的一維或二維超聲陣列，從而提高區(qū)分成像組織或材料特征的能力。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，使其無法用于實際應用。

利用計算機芯片技術制造光學超聲波探測器

硅光子學技術被廣泛應用于將光學元件小型化并將其密集地封裝在硅芯片的小表面上。雖然硅不表現(xiàn)出任何壓電效應，但它將光限制在小于光學波長的尺寸上的能力已經被廣泛應用于小型光子電路的開發(fā)。

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

SWED的開發(fā)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(guī)模，它的靈敏度將降低1億倍?！?

超分辨率成像

“由于采用了硅光子學技術，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?！毖芯啃〗M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于1微米的特征，這就是所謂的超分辨率成像。

便宜的和強大的

由于該技術利用了硅平臺的堅固性和易制造性，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(guī)模生產成為可能。這對于開發(fā)基于超聲波的不同檢測應用是重要的。Shnaiderman補充道:“我們將繼續(xù)優(yōu)化這項技術的每一個參數(shù)——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(xiàn)?！?

未來發(fā)展及應用

“該探測器最初開發(fā)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(yè)大學的主要研究方向。然而，我們現(xiàn)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于臨床診斷和基礎生物醫(yī)學研究，但工業(yè)應用也可能受益于這項新技術。提高的成像分辨率可以研究組織和材料的超細細節(jié)。研究的第一步涉及細胞的超分辨率光聲成像和組織中的微血管，但SWED也可以用于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(fā)表在《自然》雜志上。