新技术——德国研制出超分辨率成像的超声波探头
发布时间：
2025-03-12 09:38
德国慕尼黑亥姆霍兹中心（Helmholtz Zentrum München）和慕尼黑工业大学（Technical University of Munich，简称TUM）的研究人员基于硅芯片上的微型光子电路，研制出了世界上最小的超声波探测器。这种新型探测器的尺寸比一般人的头发直径还小100倍，有了它，比以前小得多的许多特征都能被可视化，从而实现所谓的超分辨率成像。
带有多个探测器的芯片（尺寸约3mmx6mm），芯片表面的细黑色雕刻是光子电路连接探测器（肉眼无法看到）。图源：rfidworld.com
自20世纪50年代医学超声成像发展以来，超声波检测的核心技术主要集中在利用压电探测器，将超声波产生的压力转换为电压。超声成像的分辨率取决于所使用的压电探测器的大小。减小该尺寸可以得到更高的分辨率，并可以提供更小的、更密集排列的一维或二维超声阵列，从而提高区分成像组织或材料特征的能力。然而，进一步减小压电探测器的尺寸会极大地影响其灵敏度，使其无法用于实际应用。
1、利用计算机芯片技术制造光学超声波探测器
硅光子学技术被广泛应用于将光学元件小型化，并将其密集地封装在硅芯片的小表面上。虽然硅不表现出任何压电效应，但它将光限制在小于光学波长的尺寸上的能力已经被广泛应用于小型光子电路的开发。
慕尼黑亥姆霍兹中心和慕尼黑工业大学的研究人员利用这些小型化光子电路的优势，设计了世界上最小的超声波探测器——硅波导-标准具探测器（silicon waveguide-etalon detector，简称SWED）。SWED不是记录压电晶体的电压，而是监测光强通过小型化光子电路传播的变化。
SWED的开发者Rami Shnaiderman说：“这是第一次使用比血细胞还小的探测器来检测超声波”，“如果一个压电探测器被小型化到SWED的规模，它的灵敏度将降低1亿倍。”
2、超分辨率成像
“由于采用了硅光子学技术，我们能够在保持高灵敏度的同时，将探测器小型化做到惊人的程度。”研究小组的负责人Vasilis Ntziachristos教授说道。SWED的大小约为0.5微米(=0.0005毫米)。这个尺寸所对应的面积至少比在临床成像应用中使用的最小的压电探测器小10,000倍。SWED的波长也比超声波波长小200倍，这意味着它可以用来观察小于1微米的特征，这就是所谓的超分辨率成像。
3、价格低功能强
由于该技术利用了硅平台的坚固性和易制造性，只需以压电式检测器成本的一小部分就能生产大量的检测器，使大规模生产成为可能。这对于开发基于超声波的不同检测应用是非常重要的。Shnaiderman补充道：“我们将继续优化这项技术的每一个参数——灵敏度、大阵列SWED的集成以及在手持设备和内窥镜中的实现。”
4、未来发展及应用
“该探测器最初开发是为了推进光声成像的性能，这是我们主要的研究方向，然而现在我们可以预见在更广泛的传感和成像领域的应用。”Ntziachristos说道。
虽然研究人员的主要目标是应用于临床诊断和基础生物医学研究，但工业应用也可能受益于这项新技术。提高的成像分辨率可以进一步研究组织和材料的细节。目前，该研究的第一步应用是涉及细胞的超分辨率光声成像和组织中的微血管，但SWED也可以用于研究超声波的基本特性及其与物质之间的相互作用，这在以前是不可能的。
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