Pesquisadores da Helmholtz Zentrum München e da Universidade Técnica de Munique (TUM) desenvolveram o menor detector de ultrassom do mundo. É baseado em circuitos fotônicos miniaturizados no topo de um chip de silício. Com um tamanho 100 vezes menor do que um cabelo humano médio, o novo detector pode visualizar recursos que são muito menores do que anteriormente possível, levando ao que é conhecido como imagem de super-resolução.

Desde o desenvolvimento da imagem de ultrassom médico na década de 1950, a tecnologia de detecção de núcleo de ondas de ultrassom tem como foco principal o uso de detectores piezoelétricos, que convertem a pressão das ondas de ultrassom em voltagem elétrica. A resolução da imagem obtida com o ultrassom depende do tamanho do detector piezoelétrico empregado. Reduzir este tamanho leva a uma resolução mais alta e pode oferecer menor, matrizes de ultrassom unidimensional ou bidimensionais densamente compactadas com capacidade aprimorada de discriminar características no tecido ou material de imagem. Contudo, reduzir ainda mais o tamanho dos detectores piezoelétricos prejudica sua sensibilidade dramaticamente, tornando-os inutilizáveis ​​para aplicação prática.

Usando tecnologia de chip de computador para criar um detector óptico de ultrassom

A tecnologia de fotônica de silício é amplamente usada para miniaturizar componentes ópticos e compactá-los densamente na pequena superfície de um chip de silício. Embora o silício não exiba nenhuma piezoeletricidade, sua capacidade de confinar a luz em dimensões menores do que o comprimento de onda óptico já foi amplamente explorada para o desenvolvimento de circuitos fotônicos miniaturizados.

Os pesquisadores da Helmholtz Zentrum Munchen e TUM capitalizaram as vantagens desses circuitos fotônicos miniaturizados e construíram o menor detector de ultrassom do mundo:o detector de etalon-guia de onda de silício, ou SWED. Em vez de registrar a voltagem dos cristais piezoelétricos, O SWED monitora as mudanças na intensidade da luz que se propagam pelos circuitos fotônicos miniaturizados.

"Esta é a primeira vez que um detector menor do que o tamanho de uma célula do sangue é usado para detectar ultrassom usando a tecnologia de fotônica de silício, "diz Rami Shnaiderman, desenvolvedor do SWED. "Se um detector piezoelétrico foi miniaturizado na escala de SWED, seria 100 milhões de vezes menos sensível. "

Imagem de super-resolução

"O grau em que fomos capazes de miniaturizar o novo detector, mantendo a alta sensibilidade devido ao uso de fotônica de silício foi de tirar o fôlego, "diz o Prof. Vasilis Ntziachristos, liderança da equipe de pesquisa. O tamanho do SWED é de cerca de meio mícron (=0, 0005 milímetros). Este tamanho corresponde a uma área de pelo menos 10, 000 vezes menor do que os menores detectores piezoelétricos empregados em aplicações de imagem clínica. O SWED também é até 200 vezes menor do que o comprimento de onda de ultrassom empregado, o que significa que pode ser usado para visualizar recursos menores do que um micrômetro, levando ao que é chamado de imagem de super-resolução.

Barato e poderoso

Conforme a tecnologia capitaliza a robustez e a facilidade de fabricação da plataforma de silício, um grande número de detectores pode ser produzido por uma pequena fração do custo dos detectores piezoelétricos, tornando a produção em massa viável. Isso é importante para o desenvolvimento de várias aplicações de detecção diferentes baseadas em ondas de ultrassom. "Continuaremos a otimizar todos os parâmetros desta tecnologia - a sensibilidade, a integração do SWED em grandes matrizes, e sua implementação em dispositivos portáteis e endoscópios, "acrescenta Shnaiderman.

Desenvolvimento futuro e aplicações

"O detector foi originalmente desenvolvido para impulsionar o desempenho da imagem optoacústica, que é o principal foco de nossa pesquisa na Helmholtz Zentrum München e TUM. Contudo, agora prevemos aplicações em um campo mais amplo de detecção e imagem, "diz Ntziachristos.

Embora os pesquisadores tenham como objetivo principal aplicações em diagnósticos clínicos e pesquisa biomédica básica, aplicações industriais também podem se beneficiar da nova tecnologia. O aumento da resolução da imagem pode levar ao estudo de detalhes ultrafinos em tecidos e materiais. Uma primeira linha de investigação envolve imagens optoacústicas de super-resolução (fotoacústicas) de células e micro-vasculatura em tecidos, mas o SWED também poderia ser usado para estudar propriedades fundamentais das ondas ultrassônicas e suas interações com a matéria em uma escala que não era possível antes.

O estudo é publicado em Natureza .