Rilevatore di ultrasuoni più piccolo al mondo

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, descritto in un articolo pubblicato su Nature, (1) può visualizzare caratteristiche molto più piccole di quanto possibile in precedenza, portando a ciò che è noto come imaging a super risoluzione.

Dallo sviluppo dell'imaging ecografico medico negli anni '50, la tecnologia di rilevamento di base 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 rilevatore piezoelettrico impiegato. La riduzione di queste dimensioni porta a una risoluzione più elevata e può offrire array di ultrasuoni mono o bidimensionali più piccoli e densamente compatti con una migliore capacità di discriminare le caratteristiche nel tessuto o materiale ripreso. Tuttavia, ridurre ulteriormente le dimensioni dei rivelatori piezoelettrici ne altera notevolmente la sensibilità, rendendoli inutilizzabili per l'applicazione pratica.

Utilizzando la tecnologia dei chip del computer per creare un rilevatore di ultrasuoni ottici

La tecnologia fotonica del silicio è ampiamente utilizzata per miniaturizzare componenti ottici e imballarli densamente sulla piccola superficie di un chip di silicio. Sebbene il silicio non presenti 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 München 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 in guida d'onda al silicio, o SWED. Invece di registrare la tensione dai cristalli piezoelettrici, SWED monitora i cambiamenti nell'intensità della luce che si propagano attraverso i circuiti fotonici miniaturizzati.
München
«Questa è la prima volta che un rilevatore più piccolo delle dimensioni di una cellula del sangue viene utilizzato per rilevare gli ultrasuoni utilizzando la tecnologia fotonica del silicio», afferma il dottor Rami Shnaiderman, sviluppatore di SWED. «Se un rilevatore piezoelettrico fosse miniaturizzato alla scala di SWED, sarebbe 100 milioni di volte meno sensibile».

Immagini ad altissima risoluzione

«Le proporzioni in cui siamo stati in grado di miniaturizzare il nuovo rivelatore pur mantenendo un'elevata sensibilità grazie all'uso della fotonica del silicio è stato sorprendente", afferma il Professor Vasilis Ntziachristos, (2) 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 piccola dei più piccoli rivelatori piezoelettrici utilizzati 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.

Poco costoso e potente

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

Sviluppo e applicazioni futuri

«Il rilevatore è stato originariamente sviluppato per stimolare le prestazioni dell'imaging optoacustico, che è uno degli obiettivi principali della nostra ricerca presso Helmholtz Zentrum München e TUM. Tuttavia, ora prevediamo applicazioni in un campo più ampio di rilevamento e imaging», afferma Ntziachristos.

Mentre i ricercatori mirano principalmente ad applicazioni nella diagnostica clinica e nella ricerca biomedica di base, anche le applicazioni industriali possono trarre vantaggio dalla nuova tecnologia. La maggiore risoluzione delle immagini può portare allo studio di dettagli ultra fini in tessuti e materiali. Una prima linea di indagine riguarda l'imaging optoacustico (fotoacustico) a super risoluzione di cellule e micro-vascolarizzazione 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.

L'Istituto di imaging biologico e medico dell'Helmholtz Zentrum München, la cattedra di imaging biologico presso TUM e TranslaTUM - l'Istituto centrale per la ricerca sul cancro traslazionale presso l'ospedale universitario Klinikum Rechts der Isar di TUM, hanno contribuito allo stesso modo a questa nuova tecnologia che è stata pubblicata in la rivista Nature. La protezione degli aspetti intellettuali di questa tecnologia è in corso.

Helmholtz Zentrum München è un centro di ricerca con la missione di scoprire soluzioni mediche personalizzate per la prevenzione e la terapia per le malattie provocate dall'ambiente e promuovere una società più sana in un mondo in rapida evoluzione. Helmholtz Zentrum München ha sede a Neuherberg, a nord di Monaco, e conta circa 2.500 dipendenti. È membro dell'Associazione Helmholtz, la più grande organizzazione scientifica in Germania con oltre 40.000 dipendenti in 19 centri di ricerca.

Riferimenti:

(1) A submicrometre silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection

(2) Vasilis Ntziachristos

Descrizione foto: Chip di silicio (circa 3 mm x 6 mm) con più rilevatori. Le sottili incisioni nere sulla superficie del chip sono i circuiti fotonici che collegano i rilevatori (non visibili ad occhi nudi). Sullo sfondo un circuito fotonico su scala più grande su un wafer di silicio. - Credit: Helmholtz Zentrum Muenchen / Roman Shnaiderman.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: “Honey, I shrunk the detector”: Researchers have developed the world’s smallest ultrasound detector