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 ultrasonido unidimensionales más pequeñas y densamente empaquetadas con una capacidad mejorada para discriminar características en el tejido o material de la imagen.
Sin embargo, reducir aún más el tamaño de los detectores piezoeléctricos deteriora su sensibilidad drásticamente, haciéndolos inutilizables para aplicaciones prácticas.
La tecnología fotónica de silicio se utiliza 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 cristales piezoeléctricos, SWED monitorea los cambios en la intensidad de la luz que se propaga a través de los circuitos fotónicos miniaturizados.
“Esta es la primera vez que se utiliza un detector más pequeño que el tamaño de una célula sanguínea para detectar ultrasonido utilizando 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“.
“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 Prof. Vasilis Ntziachristos, líder del equipo de investigación.
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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.
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 todos los parámetros de esta tecnología: la sensibilidad, la integración de SWED en arreglos grandes y su implementación en dispositivos portátiles y endoscopios”, agrega Shnaiderman.
“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 imagen ”, 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. .
Fuente: Helmholtz Zentrum München
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