Helmholtz ZentrumMünchen和慕尼黑工業(yè)大學(TUM)的研究人員開發(fā)了世界上最小的超聲波探測器。它基于硅芯片頂部的微型光子電路。這種新型檢測器的尺寸是人類平均頭發(fā)的100倍，因此可以可視化比以前小得多的特征，從而實現了所謂的超分辨率成像。

自1950年代醫(yī)學超聲成像技術發(fā)展以來，超聲波的核心檢測技術主要集中在使用壓電檢測器，該檢測器將超聲波的壓力轉換為電壓。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用。

使用計算機芯片技術創(chuàng)建光學超聲波探測器

硅光子技術被廣泛用于使光學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 Munchen和TUM的研究人員利用這些小型化光子電路的優(yōu)勢，構建了世界上最小的超聲波探測器：硅波導標準具探測器或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

研究團隊負責人Vasilis Ntziachristos教授說：“由于采用了硅光子技術，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)。該尺寸對應的面積至少比臨床成像應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，從而導致所謂的超分辨率成像。

便宜又強大

由于該技術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大量檢測器，從而使大規(guī)模生產成為可能。這對于基于超聲波開發(fā)許多不同的檢測應用程序很重要。Shnaiderman補充說：“我們將繼續(xù)優(yōu)化該技術的每個參數，包括靈敏度，SWED在大型陣列中的集成以及其在手持式設備和內窺鏡中的實現。”

未來的發(fā)展和應用

Ntziachristos說：“ 檢測器最初是為促進光聲成像的性能而開發(fā)的，這是我們在Helmholtz ZentrumMünchen和TUM進行研究的主要重點。但是，我們現在可以預見其在更廣泛的傳感和成像領域的應用。”

盡管研究人員的主要目標是在臨床診斷和基礎生物醫(yī)學研究中應用，但工業(yè)應用也可能會從新技術中受益。增加的成像分辨率可能導致研究組織和材料中的超細細節(jié)。研究的第一線涉及細胞和組織中微血管的超分辨率光聲(光聲)成像，但是SWED還可以用于研究超聲波的基本特性及其與物質的相互作用，其規(guī)模是以前不可能的。 。

該研究發(fā)表在《自然》上。