Des chercheurs du Helmholtz Zentrum München et de l'Université technique de Munich (TUM) ont développé le plus petit détecteur à ultrasons au monde. Il est basé sur des circuits photoniques miniaturisés sur une puce de silicium. Avec une taille 100 fois plus petite qu'un cheveu humain moyen, le nouveau détecteur peut visualiser des caractéristiques beaucoup plus petites qu'auparavant, conduisant à ce que l'on appelle l'imagerie à super-résolution.

Depuis le développement de l'imagerie médicale par ultrasons dans les années 1950, la technologie de base de détection des ondes ultrasonores s'est principalement concentrée sur l'utilisation de détecteurs piézoélectriques, qui convertissent la pression des ondes ultrasonores en tension électrique. La résolution d'imagerie obtenue avec les ultrasons dépend de la taille du détecteur piézoélectrique utilisé. La réduction de cette taille conduit à une résolution plus élevée et peut offrir une plus petite, des réseaux d'ultrasons à une ou deux dimensions densément emballés avec une capacité améliorée à discriminer des caractéristiques dans le tissu ou le matériau imagé. Cependant, réduire davantage la taille des détecteurs piézoélectriques altère considérablement leur sensibilité, les rendant inutilisables pour une application pratique.

Utilisation de la technologie des puces informatiques pour créer un détecteur optique à ultrasons

La technologie photonique sur silicium est largement utilisée pour miniaturiser les composants optiques et les emballer de manière dense sur la petite surface d'une puce de silicium. Alors que le silicium ne présente aucune piézoélectricité, sa capacité à confiner la lumière dans des dimensions inférieures à la longueur d'onde optique a déjà été largement exploitée pour le développement de circuits photoniques miniaturisés.

Les chercheurs de Helmholtz Zentrum Munchen et TUM ont capitalisé sur les avantages de ces circuits photoniques miniaturisés et ont construit le plus petit détecteur à ultrasons au monde :le détecteur à guide d'ondes en silicium, ou SWED. Au lieu d'enregistrer la tension des cristaux piézoélectriques, SWED surveille les changements d'intensité lumineuse se propageant à travers les circuits photoniques miniaturisés.

"C'est la première fois qu'un détecteur plus petit que la taille d'une cellule sanguine est utilisé pour détecter des ultrasons à l'aide de la technologie photonique sur silicium, " dit Rami Shnaiderman, développeur de SWED. "Si un détecteur piézoélectrique était miniaturisé à l'échelle du SWED, ce serait 100 millions de fois moins sensible."

Imagerie super-résolution

« Le degré auquel nous avons pu miniaturiser le nouveau détecteur tout en conservant une sensibilité élevée grâce à l'utilisation de la photonique au silicium était à couper le souffle, " dit le Pr Vasilis Ntziachristos, chef de l'équipe de recherche. La taille du SWED est d'environ un demi-micron (=0, 0005 millimètres). Cette taille correspond à une surface d'au moins 10, 000 fois plus petit que les plus petits détecteurs piézoélectriques utilisés dans les applications d'imagerie clinique. Le SWED est également jusqu'à 200 fois plus petit que la longueur d'onde des ultrasons utilisée, ce qui signifie qu'il peut être utilisé pour visualiser des caractéristiques inférieures à un micromètre, conduisant à ce qu'on appelle l'imagerie à super-résolution.

Pas cher et puissant

Comme la technologie capitalise sur la robustesse et la facilité de fabrication de la plate-forme silicium, un grand nombre de détecteurs peut être produit à une petite fraction du coût des détecteurs piézoélectriques, rendre possible la production de masse. Ceci est important pour développer un certain nombre d'applications de détection différentes basées sur les ondes ultrasonores. « Nous continuerons d'optimiser chaque paramètre de cette technologie :la sensibilité, l'intégration de SWED dans de grands réseaux, et sa mise en œuvre dans les appareils portatifs et les endoscopes, " ajoute Shnaiderman.

Développements et applications futurs

"Le détecteur a été développé à l'origine pour propulser les performances de l'imagerie optoacoustique, qui est un axe majeur de nos recherches au Helmholtz Zentrum München et au TUM. Cependant, nous prévoyons désormais des applications dans un domaine plus large de la détection et de l'imagerie, " dit Ntziachristos.

Alors que les chercheurs visent principalement des applications dans le diagnostic clinique et la recherche biomédicale fondamentale, les applications industrielles peuvent également bénéficier de la nouvelle technologie. La résolution d'imagerie accrue peut conduire à l'étude de détails ultra-fins dans les tissus et les matériaux. Une première ligne d'investigation implique l'imagerie optoacoustique (photoacoustique) à super-résolution des cellules et des micro-vaisseaux dans les tissus, mais le SWED pourrait également être utilisé pour étudier les propriétés fondamentales des ondes ultrasonores et leurs interactions avec la matière à une échelle qui n'était pas possible auparavant.

L'étude est publiée dans La nature .