Nowy detektor 100 razy mniejszy od średnicy ludzkiego włosa opracowali naukowcy z Helmholtz Zentrum München i Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM). Informuje o tym “Nature”.

Powstała w latach 50. XX wieku technologia medycznego obrazowania ultradźwiękowego skupiała się głównie na wykorzystaniu detektorów piezoelektrycznych, które przekształcają ciśnienie fal ultradźwiękowych w napięcie elektryczne. Rozdzielczość obrazowania uzyskiwana za pomocą ultradźwięków zależy od wielkości zastosowanego detektora piezoelektrycznego. Zmniejszenie jego rozmiaru prowadzi do wyższej rozdzielczości, ale obniża czułość - zbyt mały staje się praktycznie bezużyteczny.

Rozwiązanie przyniosła fotonika - interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki, łącząca dokonania optyki, elektroniki i informatyki w celu opracowywania technik i urządzeń wykorzystujących promieniowanie elektromagnetyczne (oprócz radiowego) do przenoszenia i przetwarzania informacji.

Technologia fotoniki krzemowej jest szeroko stosowana do miniaturyzacji elementów optycznych i gęstego upakowania ich na małej powierzchni krzemowego chipa. Chociaż krzem nie wykazuje właściwości piezoelektrycznych, jest szeroko stosowany do tworzenia zminiaturyzowanych obwodów fotonicznych.

Wykorzystując zalety zminiaturyzowanych obwodów fotonicznych, naukowcy z Helmholtz Zentrum München i TUM zbudowali najmniejszy na świecie detektor ultradźwiękowy: krzemowy detektor falowodu-etalonu (SWED). Zamiast rejestrować napięcie z kryształów piezoelektrycznych, SWED monitoruje zmiany natężenia światła propagowanego przez zminiaturyzowane obwody fotoniczne.

Detektor jest mniejszy niż komórka krwi. Jak podkreślają jego twórcy, gdyby tradycyjny detektor piezoelektryczny został zminiaturyzowany do skali SWED, byłby od niego 100 milionów razy mniej czuły. Średnica SWED to około pół mikrona (0,0005 milimetra). Ten rozmiar odpowiada obszarowi, który jest co najmniej 10 000 razy mniejszy niż najmniejsze detektory piezoelektryczne stosowane w obrazowaniu klinicznym. SWED jest również do 200 razy mniejszy niż długość zastosowanej fali ultradźwiękowej, co oznacza, że można go używać do wizualizacji obiektów mniejszych niż jeden mikrometr.

Dzięki wykorzystaniu sprawdzonej technologii wytwarzania układów krzemowych można będzie wyprodukować dużą liczbę detektorów za niewielki ułamek kosztów detektorów piezoelektrycznych. Masowa produkcja i niski koszt powinny umożliwić szerokie wykorzystanie takich urządzeń, na przykład w przenośnych aparatach USG czy endoskopach. Nowa technologia może przynieść korzyści także zastosowaniom przemysłowym. Zwiększona rozdzielczość obrazowania pozwoli badać ultradrobne szczegółów w tkankach i materiałach. W pierwszej kolejności planowane są badania dotyczące obrazowanie optoakustycznego (fotoakustycznego) komórek i mikronaczyń w tkankach, ale SWED można również wykorzystać do badania podstawowych właściwości fal ultradźwiękowych i ich interakcji z materią na skalę, która wcześniej nie była możliwa. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ zan/