Optomechanischer Ultraschallsensor Sensor blickt tief in lebendes Gewebe

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit einem hoch-empfindlichen Ultraschallsensor lassen sich tiefe Einblicke wie in Haut oder Gehirn vornehmen. Entwickelt wurde der Sensor auf einem Silizium-Photonik-Chip.

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Optomechanischer Ultraschallsensor: Mit einer Größe von 20 µm ist der Sensor in der Lage, in tiefe Gewebeschichten vorzudringen.
Optomechanischer Ultraschallsensor: Mit einer Größe von 20 µm ist der Sensor in der Lage, in tiefe Gewebeschichten vorzudringen.
(Bild: Imec)

Forscher haben einen optomechanischen Ultraschallsensor auf einem Silizium-Photonik-Chip entwickelt, der dank optomechanischer Waveguides (Wellenleiter) sehr empfindlich sein soll. Der Sensor misst 20 µm und bietet eine um zwei Größenordnungen bessere Nachweisgrenze als piezoelektrische Elemente der gleichen Größe.

Dank der niedrigen Nachweisgrenze des Sensors ergeben sich klinische und biomedizinische Anwendungen in der Ultraschall- und photoakustischen Bildgebung. Dazu gehören Mammographie in tiefe Gewebeschichten sowie die Untersuchung der Gefäßversorgung oder die Innervierung (funktionale Versorgung) von potenziellen Tumorgewebe.

Sensoren erstellen zwei- und dreidimensionale Bilder

Mit der tomographischen Ultraschall- und photoakustischen Bildgebung lassen sich zwei- oder dreidimensionale Bilder erstellen, die mit einem Array von Ultraschallsensoren angefertigt werden. Piezoelektrische Ultraschallsensoren nach aktuellem Stand haben hier ihre Grenzen. Erstens hängt die Nachweisgrenze umgekehrt von der Größe der Sensoren ab, was ein Problem für hochauflösende Bilder mit kleinen akustischen Wellenlängen darstellt.

Hochauflösende Bilder erfordern kleine piezoelektrische Sensoren, die eine höhere Empfindlichkeitsgrenze haben, was zu einem verrauschten Bild führt.

Zweitens verlassen sich piezoelektrische Sensoren auf ihre mechanische Resonanz, um die Signalamplitude zu erhöhen. Das bedeutet, dass sie in einem kleinen Bereich um die Resonanzfrequenz herum arbeiten, um hohe Erfassungsgrenzen zu vermeiden. Außerdem erfordern Matrizen von piezoelektrischen Sensoren einen Draht für jedes Sensorelement, was beispielsweise Katheteranwendungen erschwert.

Höhere Empfindlichkeit des Sensors

Der Wafer des opto-mechanischen Ultraschall-Sensors.
Der Wafer des opto-mechanischen Ultraschall-Sensors.
(Bild: Imec)

Der entwickele Ultraschallsensor basiert auf einem hochempfindlichen optomechanischen Wellenleiter mit geteilten Rippen, der mit einem neuen CMOS-kompatiblen Prozess hergestellt wird. Die Empfindlichkeit ist um zwei Größenordnungen größer als bei einem herkömmlichen Sensor. Eine niedrige Nachweisgrenze kann den Kompromiss zwischen Abbildungsauflösung und -tiefe für Ultraschallanwendungen verbessern und ist entscheidend für die photoakustische Bildgebung, bei der die Drücke bis zu drei Größenordnungen niedriger sind als bei herkömmlichen Ultraschallbildgebungsverfahren.

Der Sensor wird die Bildgebung von tiefem Gewebe in ansonsten undurchsichtigen Gewebe wie Haut oder Gehirn entscheidend verändern. Für Anwendungen wie die subkutane Melanom-Bildgebung oder die Mammographie ist ein detaillierterer Blick auf den Tumor und die umgebende Vaskularisation möglich.

Xavier Rottenberg, Imtec

Darüber hinaus kann es Niederdruckanwendungen wie die funktionelle Hirnbildgebung durch den Schädel ermöglichen, die unter der starken Ultraschalldämpfung durch den Knochen leidet. Die fein aufgelöste Matrix von 30 µm des Sensors lässt sich mit photonischen Multiplexern auf dem Chip integrieren. Denkbar sind miniaturisierte Katheter. Die Sensormatrizen benötigen nur wenige optische Fasern, die angeschlossen werden müssen, anstatt einer elektrischen Verbindung pro Element im Falle piezoelektrischer Sensoren.

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