Chip de silicio (aprox. 3 mm x 6 mm) con múltiples detectores. Los finos grabados negros en la superficie del chip son los circuitos fotónicos que interconectan los detectores (no visibles a simple vista). En el fondo, un circuito fotónico a mayor escala sobre una oblea de silicio. Crédito: © Helmholtz Zentrum Muenchen / Roman Shnaiderman
Investigadores de Helmholtz Zentrum München y la Universidad Técnica de Munich (TUM) han desarrollado el detector de ultrasonidos más pequeño del mundo. Se basa en circuitos fotónicos miniaturizados sobre un chip de silicio. Con un tamaño 100 veces más pequeño que un cabello humano promedio, el nuevo detector puede visualizar características que son mucho más pequeñas de lo que era posible anteriormente, lo que lleva a lo que se conoce como imágenes de súper resolución.
Desde el desarrollo de las imágenes médicas por ultrasonido en la década de 1950, la tecnología de detección central de ondas de ultrasonido se ha centrado principalmente en el uso de detectores piezoeléctricos, que convierten la presión de las ondas de ultrasonido en voltaje eléctrico. La resolución de imagen lograda con ultrasonido depende del tamaño del detector piezoeléctrico empleado. La reducción de este tamaño conduce a una resolución más alta y puede ofrecer matrices de ultrasonidos unidimensionales o bidimensionales más pequeñas y densamente empaquetadas con una capacidad mejorada para discriminar características en el tejido o material de la imagen. Sin embargo, la reducción adicional del tamaño de los detectores piezoeléctricos afecta drásticamente su sensibilidad, haciéndolos inutilizables para aplicaciones prácticas.
Uso de tecnología de chip de computadora para crear un detector óptico de ultrasonidos
La tecnología fotónica de silicio se usa ampliamente para miniaturizar componentes ópticos y empaquetarlos densamente en la pequeña superficie de un chip de silicio. Si bien el silicio no presenta piezoelectricidad, su capacidad para confinar la luz en dimensiones más pequeñas que la longitud de onda óptica ya ha sido ampliamente explotada para el desarrollo de circuitos fotónicos miniaturizados.
Los investigadores de Helmholtz Zentrum München y TUM sacaron provecho de las ventajas de esos circuitos fotónicos miniaturizados y construyeron el detector de ultrasonido más pequeño del mundo: el detector de etalones de guía de ondas de silicio, o SWED. En lugar de registrar el voltaje de los cristales piezoeléctricos, SWED monitorea los cambios en la intensidad de la luz que se propagan a través de los circuitos fotónicos miniaturizados.
“Esta es la primera vez que se usa un detector más pequeño que el tamaño de una célula sanguínea para detectar ultrasonido usando la tecnología fotónica de silicio”, dice Rami Shnaiderman, desarrollador de SWED. “Si un detector piezoeléctrico se miniaturizara a la escala de SWED, sería 100 millones de veces menos sensible”.
Imágenes de súper resolución
“El grado en el que pudimos miniaturizar el nuevo detector manteniendo una alta sensibilidad debido al uso de fotónica de silicio fue impresionante”, dice el profesor Vasilis Ntziachristos, líder del equipo de investigación. El tamaño de SWED es de aproximadamente medio micrón (= 0,0005 milímetros). Este tamaño corresponde a un área que es al menos 10,000 veces más pequeña que los detectores piezoeléctricos más pequeños empleados en aplicaciones de imágenes clínicas. El SWED también es hasta 200 veces más pequeño que la longitud de onda de ultrasonido empleada, lo que significa que se puede utilizar para visualizar características que son más pequeñas que un micrómetro, lo que lleva a lo que se denomina imágenes de superresolución.
Económico y potente
A medida que la tecnología capitaliza la robustez y facilidad de fabricación de la plataforma de silicio, se pueden producir una gran cantidad de detectores a una pequeña fracción del costo de los detectores piezoeléctricos, lo que hace factible la producción en masa. Esto es importante para desarrollar diversas aplicaciones de detección basadas en ondas ultrasónicas. “Continuaremos optimizando cada parámetro de esta tecnología: la sensibilidad, la integración de SWED en arreglos grandes y su implementación en dispositivos portátiles y endoscopios”, agrega Shnaiderman.
Desarrollo y aplicaciones futuros
“El detector se desarrolló originalmente para impulsar el rendimiento de las imágenes optoacústicas, que es un foco principal de nuestra investigación en Helmholtz Zentrum München y TUM. Sin embargo, ahora prevemos aplicaciones en un campo más amplio de detección e imágenes ”, dice Ntziachristos.
Si bien los investigadores apuntan principalmente a aplicaciones en diagnóstico clínico e investigación biomédica básica, las aplicaciones industriales también pueden beneficiarse de la nueva tecnología. El aumento de la resolución de la imagen puede llevar al estudio de detalles ultrafinos en tejidos y materiales. Una primera línea de investigación involucra imágenes optoacústicas (fotoacústicas) de súper resolución de células y microvasculatura en tejidos, pero el SWED también podría usarse para estudiar las propiedades fundamentales de las ondas ultrasónicas y sus interacciones con la materia en una escala que antes no era posible. .
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Referencia: “Un resonador submicrométrico de silicio sobre aislante para la detección de ultrasonidos” por Rami Shnaiderman, Georg Wissmeyer, Okan Ülgen, Qutaiba Mustafa, Andriy Chmyrov y Vasilis Ntziachristos, 16 de septiembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2685-y
Colaboración y patentamiento
El Instituto de Imágenes Biológicas y Médicas de Helmholtz Zentrum München, la Cátedra de Imágenes Biológicas de TUM y TranslaTUM, el Instituto Central de Investigación del Cáncer Traslacional del hospital universitario Klinikum Rechts der Isar de TUM, han contribuido igualmente a esta nueva tecnología que se publicó en el periódico Naturaleza. La protección de los aspectos intelectuales de esta tecnología está en curso.
Helmholtz Zentrum München
Helmholtz Zentrum München es un centro de investigación con la misión de descubrir soluciones médicas personalizadas para la prevención y terapia de enfermedades desencadenadas por el medio ambiente y promover una sociedad más saludable en un mundo que cambia rápidamente. Helmholtz Zentrum München tiene su sede en Neuherberg, en el norte de Múnich, y cuenta con unos 2.500 empleados. Es miembro de la Asociación Helmholtz, la organización científica más grande de Alemania con más de 40.000 empleados en 19 centros de investigación.
