I ricercatori dell'Helmholtz Zentrum München e dell'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno sviluppato il rilevatore di ultrasuoni più piccolo al mondo. Si basa su circuiti fotonici miniaturizzati su un chip di silicio. Con una dimensione 100 volte più piccola di un capello umano medio, il nuovo rilevatore può visualizzare caratteristiche molto più piccole di quanto fosse possibile in precedenza, portando a ciò che è noto come imaging a super risoluzione.

Dallo sviluppo dell'ecografia medica negli anni '50, la tecnologia di rilevamento principale delle onde ultrasoniche si è concentrata principalmente sull'utilizzo di rilevatori piezoelettrici, che convertono la pressione delle onde ultrasoniche in tensione elettrica. La risoluzione dell'immagine ottenuta con gli ultrasuoni dipende dalle dimensioni del rivelatore piezoelettrico impiegato. La riduzione di questa dimensione porta a una risoluzione più elevata e può offrire minori, array di ultrasuoni a una o due dimensioni densamente confezionati con una migliore capacità di discriminare le caratteristiche nel tessuto o nel materiale sottoposto a imaging. Però, ridurre ulteriormente le dimensioni dei rivelatori piezoelettrici ne riduce drasticamente la sensibilità, rendendoli inutilizzabili per l'applicazione pratica.

Utilizzo della tecnologia dei chip del computer per creare un rilevatore ottico a ultrasuoni

La tecnologia della fotonica del silicio è ampiamente utilizzata per miniaturizzare i componenti ottici e imballarli densamente sulla piccola superficie di un chip di silicio. Sebbene il silicio non mostri alcuna piezoelettricità, la sua capacità di confinare la luce in dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda ottica è già stata ampiamente sfruttata per lo sviluppo di circuiti fotonici miniaturizzati.

I ricercatori dell'Helmholtz Zentrum Munchen e del TUM hanno sfruttato i vantaggi di quei circuiti fotonici miniaturizzati e hanno costruito il rilevatore di ultrasuoni più piccolo al mondo:il rilevatore di etalon a guida d'onda al silicio, o SVEZIA. Invece di registrare la tensione dai cristalli piezoelettrici, SWED monitora i cambiamenti nell'intensità della luce che si propagano attraverso i circuiti fotonici miniaturizzati.

"Questa è la prima volta che un rilevatore più piccolo delle dimensioni di un globulo viene utilizzato per rilevare gli ultrasuoni utilizzando la tecnologia fotonica al silicio, "dice Rami Shnaiderman, sviluppatore di SWED. "Se un rivelatore piezoelettrico fosse miniaturizzato alla scala di SWED, sarebbe 100 milioni di volte meno sensibile".

Imaging ad alta risoluzione

"Il grado in cui siamo riusciti a miniaturizzare il nuovo rivelatore mantenendo un'elevata sensibilità grazie all'uso della fotonica del silicio è stato mozzafiato, " dice il prof. Vasilis Ntziachristos, capo del gruppo di ricerca. La dimensione SWED è di circa mezzo micron (=0, 0005 millimetri). Questa dimensione corrisponde a un'area che è almeno 10, 000 volte più piccolo dei più piccoli rivelatori piezoelettrici impiegati nelle applicazioni di imaging clinico. Lo SWED è anche fino a 200 volte più piccolo della lunghezza d'onda degli ultrasuoni impiegata, il che significa che può essere utilizzato per visualizzare caratteristiche più piccole di un micrometro, portando a ciò che viene chiamato imaging a super risoluzione.

Economico e potente

Poiché la tecnologia sfrutta la robustezza e la facile producibilità della piattaforma in silicio, un gran numero di rivelatori può essere prodotto a una piccola frazione del costo dei rivelatori piezoelettrici, rendere fattibile la produzione di massa. Questo è importante per sviluppare una serie di diverse applicazioni di rilevamento basate sulle onde ultrasoniche. "Continueremo a ottimizzare ogni parametro di questa tecnologia:la sensibilità, l'integrazione di SWED in grandi array, e la sua implementazione in dispositivi portatili ed endoscopi, "aggiunge Shnaiderman.

Sviluppo futuro e applicazioni

"Il rilevatore è stato originariamente sviluppato per potenziare le prestazioni dell'imaging optoacustico, che è uno dei principali obiettivi della nostra ricerca presso Helmholtz Zentrum München e TUM. Però, ora prevediamo applicazioni in un campo più ampio di rilevamento e imaging, "dice Ntziachristos.

Mentre i ricercatori mirano principalmente ad applicazioni nella diagnostica clinica e nella ricerca biomedica di base, anche le applicazioni industriali possono beneficiare della nuova tecnologia. La maggiore risoluzione dell'immagine può portare allo studio di dettagli ultrafini nei tessuti e nei materiali. Una prima linea di indagine riguarda l'imaging optoacustico (fotoacustico) a super-risoluzione delle cellule e del microcircolo nei tessuti, ma lo SWED potrebbe essere utilizzato anche per studiare le proprietà fondamentali delle onde ultrasoniche e le loro interazioni con la materia su una scala che prima non era possibile.

Lo studio è pubblicato su Natura .