赫爾姆霍爾茨·曾特魯姆·明琴和慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）的研究人員研制出了世界上最小的超聲波探測器。它基于硅芯片頂部的小型光子電路。新的探測器的尺寸比普通人的頭發(fā)小100倍，可以可視化比以前小得多的特征，從而實現(xiàn)所謂的超分辨率成像。

自20世紀50年代醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)發(fā)展以來，超聲波的核心檢測技術(shù)主要集中在使用壓電檢測器，該檢測器將超聲波的壓力轉(zhuǎn)換為電壓。用超聲波獲得的成像分辨率取決于所用壓電檢測器的尺寸。減小此尺寸將導(dǎo)致更高的分辨率，并可以提供更小，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征的能力。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，從而使其無法用于實際應(yīng)用。

硅芯片（約 3 毫米 x 6 毫米），帶多個探測器。芯片表面的細黑色雕刻是光子電路連接探測器（肉眼看不到）。在背面，硅晶片上有較大規(guī)模的光子電路。

使用計算機芯片技術(shù)制造光學(xué)超聲波探測器

硅光子技術(shù)被廣泛用于使光學(xué)組件小型化并將它們密集地封裝在硅芯片的小表面上。盡管硅不表現(xiàn)出任何壓電性，但是其將光限制在小于光波長的尺寸的光的能力已被廣泛用于開發(fā)微型光子電路。

Helmholtz Zentrum Mu?nchen和TUM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(dǎo)標準具探測器或SWED。SWED可以監(jiān)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的開發(fā)人員Rami Shnaiderman說：“這是第一次使用小于血細胞大小的檢測器通過硅光子技術(shù)檢測超聲�！� “如果將壓電檢測器小型化至SWED規(guī)模，靈敏度將降低1億倍。”

超分辨率成像

研究團隊負責(zé)人Vasilis Ntziachristos教授說：“由于采用了硅光子技術(shù)，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(yīng)的面積至少比臨床成像應(yīng)用中采用的最小壓電檢測器小10,000倍。SWED還比所采用的超聲波波長小200倍，這意味著它可以用于可視化小于1微米的特征，從而導(dǎo)致所謂的超分辨率成像。

價格便宜，功能強大

由于該技術(shù)利用了硅平臺的堅固性和易制造性，因此可以以壓電檢測器成本的一小部分生產(chǎn)大量檢測器，從而使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。這對于基于超聲波開發(fā)許多不同的檢測應(yīng)用程序很重要。Shnaiderman補充說：“我們將繼續(xù)優(yōu)化該技術(shù)的每個參數(shù)-靈敏度，SWED在大型陣列中的集成以及其在手持式設(shè)備和內(nèi)窺鏡中的實現(xiàn)�！�

未來的開發(fā)和應(yīng)用

"該探測器最初是為了提高光聲成像的性能而開發(fā)的，這是我們在赫爾姆霍爾茨·曾特魯姆·明琴和TUM研究的主要重點。然而，我們現(xiàn)在預(yù)見到在傳感和成像領(lǐng)域的應(yīng)用，"Ntziachristos 說。

雖然研究人員主要致力于臨床診斷和基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究的應(yīng)用，但工業(yè)應(yīng)用也可能受益于新技術(shù)。增加的成像分辨率可能導(dǎo)致研究組織和材料中的超細細節(jié)。第一行調(diào)查涉及對組織中細胞和微血管的超分辨率光聲（光聲）成像，但SWED也可用于研究超聲波的基本特性及其與物質(zhì)的相互作用，其規(guī)模以前是不可能的。

這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。

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