Neuer Detektor kleiner als eine Blutzelle

Silizi­umchip mit mehreren Detek­toren. Die feinen schwarzen Gravuren auf der Oberfläche des Chips sind die optischen Schalt­kreise, die die Detek­toren mitein­ander verbinden (mit bloßem Auge nicht sichtbar). Im Hinter­grund eine größere optis. Foto: Roman Shnaiderman, Helmholtz Zentrum München

Neuer Detektor kleiner als eine Blutzelle

Wissen­schaft­le­rinnen und Wissen­schaftler des Helmholtz Zentrum München und der Techni­schen Univer­sität München (TUM) haben den weltweit kleinsten Ultra­schall­de­tektor entwi­ckelt. Er basiert auf minia­tu­ri­sierten optischen Schalt­kreisen, die auf der Oberfläche eines Silizi­um­chips angebracht sind. Er ist 100 Mal kleiner als ein durch­schnitt­liches mensch­liches Haar und visua­li­siert deutlich kleinere Details, als dies zuvor möglich war. Damit ist eine so genannte ultra­hoch­auf­lö­sende Bildgebung möglich.

Seit der Entwicklung der medizi­ni­schen Ultra­schall-Bildgebung in den 1950ern beruhte die zentrale Techno­logie zur Messung von Ultra­schall­wellen haupt­sächlich auf dem Einsatz von piezo­elek­tri­schen Detek­toren, die den Druck von Ultra­schall­wellen in elektrische Spannung umwandeln. Die mit Ultra­schall erreichte Bildge­bungs­auf­lösung hängt von der Größe des verwen­deten piezo­elek­tri­schen Detektors ab. Das Verringern seiner Größe führt zu einer höheren Auflösung und ermög­licht die Herstellung kleinerer, dichter bestückter ein- oder zweidi­men­sio­naler Ultra­schall-Arrays, die Merkmale im darge­stellten Gewebe oder Material besser unter­scheiden können. Wird die Größe von piezo­elek­tri­schen Detek­toren jedoch weiter reduziert, beein­trächtigt das deren Empfind­lichkeit wesentlich. Dadurch sind sie nicht für die praktische Anwendung geeignet.

Compu­terchip-Techno­logie zur Entwicklung eines optischen Ultraschalldetektors

Die Silizium-Photonik-Techno­logie wird häufig zur Minia­tu­ri­sierung optischer Kompo­nenten verwendet, um die kleine Oberfläche eines Silizi­um­chips dicht mit diesen zu bestücken. Während Silizium keine Piezo­elek­tri­zität aufweist, wurde seine Fähigkeit, Licht in kleineren Abmes­sungen als dessen optischer Wellen­länge einzu­fangen, bereits in großem Umfang für die Entwicklung minia­tu­ri­sierter optischer Schalt­kreise genutzt.

Die Forsche­rinnen und Forscher des Helmholtz Zentrums München und der TUM haben sich die Vorteile dieser minia­tu­ri­sierten optischen Schalt­kreise zu Nutze gemacht und bauten den weltweit kleinsten Ultra­schall­de­tektor: den Silizium-Wellen­leiter-Etalon-Detektor, kurz: SWED. Anstatt die Spannung von piezo­elek­tri­schen Kristallen aufzu­nehmen, überwacht der SWED die Änderungen in der Licht­stärke, die sich durch die minia­tu­ri­sierten optischen Schalt­kreise ausbreitet.

»Der neue Detektor ist kleiner als eine Blutzelle und nie zuvor wurde ein so kleiner Detektor verwendet, um Ultra­schall mithilfe der Silizium-Photonik-Techno­logie zu messen«, sagt Rami Shnaiderman, Entwickler von SWED. »Würde man einen piezo­elek­tri­schen Detektor auf die Größen­ordnung von SWED verkleinern, wäre er 100 Millionen Mal weniger sensitiv.«

Ultra­hoch­auf­lö­sende Bildgebung

»Der Grad, zu dem wir den neuen Detektor minia­tu­ri­sieren und zugleich durch die Verwendung von Silizium-Photonik die hohe Sensi­ti­vität beibe­halten konnten, ist unglaublich«, sagt der Leiter des Forschungs­teams, Prof. Vasilis Ntziachristos. Die Größe des SWED beträgt etwa einen halben Mikro­meter (= 0,0005 Milli­meter). Eine solche Größe entspricht einer Fläche, die mindestens 10.000 Mal kleiner ist als die kleinsten piezo­elek­tri­schen Detek­toren, die derzeit in der klini­schen Bildgebung zur Anwendung kommen. Die Größe des SWED ist zudem bis zu 200 Mal geringer als die verwendete Ultra­schall-Wellen­länge. Somit kann er Merkmale darstellen, die kleiner als ein Mikro­meter sind. Das macht die so genannte ultra­hoch­auf­lö­sende Bildgebung möglich.

Kosten­günstig und leistungsstark

Da Silizi­um­platt­formen robust und einfach herzu­stellen sind, ist es möglich eine große Anzahl an Detek­toren zu einem Bruchteil der Kosten von piezo­elek­trische Detek­toren herzu­stellen. Dadurch eignen sie sich für die Massen­pro­duktion. Dies ist für die Entwicklung von verschie­denen Einsatz­mög­lich­keiten wichtig, die auf der Messung von Ultra­schall­wellen basieren. »Wir werden weiterhin jeden Parameter dieser Techno­logie optimieren – die Sensi­ti­vität, die Integration von SWED in große Arrays und seine Anwendung bei Handge­räten und Endoskopen«, fügt Shnaiderman hinzu.

Zukünftige Entwicklung und Anwendungen

»Ursprünglich wurde der Detektor entwi­ckelt, um die Leistung optoakus­ti­scher Bildgebung zu verbessern – ein zentrales Forschungs­gebiet des Helmholtz Zentrums München und der TUM. Nun sehen wir jedoch viel breitere Einsatz­mög­lich­keiten im Bereich Sensorik und Bildgebung«, erklärt Ntziachristos.

Während das Forschungsteam haupt­sächlich einen Einsatz in der klini­schen Diagnostik und in der biome­di­zi­ni­schen Grund­la­gen­for­schung anstrebt, können auch Anwen­dungs­be­reiche in der Industrie von dieser neuen Techno­logie profi­tieren. Durch die verbes­serte Auflösung der Bildgebung könnten ultra­feine Details in Geweben und Materialien erforscht werden. Eine erste Reihe an Forschungs­ar­beiten umfasst ultra­hoch­auf­lö­sende optoakus­tische (photo­akus­tische) Bildgebung von Zellen und Mikro­ge­fäßen in Geweben, doch SWED könnte auch einge­setzt werden, um grund­le­gende Eigen­schaften von Ultra­schall­wellen und ihre Inter­ak­tionen mit Materie in einem bisher nicht möglichen Maßstab zu erforschen.

Origi­nal­ver­öf­fent­li­chung

https://www.nature.com/articles/s41586-020‑2685‑y

Shnaiderman et al., 2020: Sub-micron silicon-on-insulator resonator for ultra­sound detection. Nature, DOI: 10.1038/s41586-020‑2685‑y

Textquelle: Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungs­zentrum für Gesundheit und Umwelt

Bildquelle: Silizi­umchip mit mehreren Detek­toren. Die feinen schwarzen Gravuren auf der Oberfläche des Chips sind die optischen Schalt­kreise, die die Detek­toren mitein­ander verbinden (mit bloßem Auge nicht sichtbar). Im Hinter­grund eine größere optis. Foto: Roman Shnaiderman, Helmholtz Zentrum München