Ученым в Германии удалось разработать самый маленький из когда-либо созданных ультразвуковых детекторов, который меньше клеток крови и открывает новые возможности в так называемой визуализации сверхвысокого разрешения. Исследователи описывают результаты как «захватывающие дух» и надеются, что эта технология позволит изучать биологические ткани с беспрецедентной детальностью.
Новое устройство, разработанное учеными из Мюнхенского центра им. Гельмгольца по исследованию окружающей среды и здоровья и Мюнхенского технического университета, представляет собой некоторый отход от технологии, лежащей в основе традиционной ультразвуковой визуализации, которая обычно основана на так называемых пьезоэлектрических устройствах, которые принимают давление, создаваемое ультразвуковыми волнами, и превращают его в электрическое напряжение.
Качество изображения, получаемого с помощью этого метода, напрямую зависит от размера пьезоэлектрического детектора, при этом чем меньше размер детектора, тем выше разрешение, но это, в свою очередь, снижает чувствительность устройства. Авторы нового исследования подробно рассматривают решение этой проблемы, обратившись к другому типу технологии визуализации, основанной на кремниевой фотонике.
Технология кремниевой фотоники имеет большой потенциал в таких областях, как вычисления нового поколения и передача данных, поскольку позволяет монтировать миниатюрные оптические компоненты на небольших кремниевых чипах. Кремний способен ограничивать свет внутри очень маленьких размеров - способность, которую ученые смогли использовать в своем революционном устройстве.
Устройство, получившее название кремниевый волноводно-эталонный детектор (silicon waveguide-etalon detector), или SWED, работает, улавливая изменения интенсивности света, когда он распространяется через миниатюрные фотонные схемы, вместо отслеживания напряжения через пьезоэлектрические кристаллы. По словам команды, устройство меньше клетки крови и это первый раз, когда детектор такого размера был использован для обнаружения ультразвука.
«Степень, до которой мы смогли миниатюризировать новый детектор, сохранив при этом высокую чувствительность благодаря использованию кремниевой фотоники, просто захватывала дух», - говорит профессор Василис Нтциахристос (Vasilis Ntziachristos) из Мюнхенского технического университета, руководитель исследовательской группы.
Устройство SWED имеет размер около половины микрона и, по крайней мере, в 10 000 раз меньше, чем самые маленькие пьезоэлектрические детекторы в клинической практике, что дает ему возможность отображать детали размером менее одного микрометра. Этот подход к визуализации со сверхвысоким разрешением, как известно, может быть применен к клеткам и тканям, чтобы открыть новые возможности в биомедицинских исследованиях и клинической диагностике, но он также может позволить изучать ультразвуковые волны способами, недоступными ранее.
«Изначально детектор был разработан для повышения качества оптоакустической визуализации, что является основным направлением наших исследований в Мюнхенском центре им. Гельмгольца и Мюнхенском техническом университете», - говорит Нтциахристос. «Однако теперь мы предвидим применение в более широкой области зондирования и визуализации».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Источник: Helmholtz Zentrum München
