18.09.2020 - Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt GmbH

„Liebling, ich habe den Detektor geschrumpft“

Weltweit kleinster Ultraschalldetektor entwickelt

Wissenschaftler des Helmholtz Zentrum München und der Technischen Universität München (TUM) haben den weltweit kleinsten Ultraschalldetektor entwickelt. Er basiert auf miniaturisierten optischen Schaltkreisen, die auf der Oberfläche eines Siliziumchips angebracht sind. Er ist 100 Mal kleiner als ein durchschnittliches menschliches Haar und visualisiert deutlich kleinere Details, als dies zuvor möglich war. Damit ist eine so genannte ultrahochauflösende Bildgebung möglich.

Seit der Entwicklung der medizinischen Ultraschall-Bildgebung in den 1950ern beruhte die zentrale Technologie zur Messung von Ultraschallwellen hauptsächlich auf dem Einsatz von piezoelektrischen Detektoren, die den Druck von Ultraschallwellen in elektrische Spannung umwandeln. Die mit Ultraschall erreichte Bildgebungsauflösung hängt von der Größe des verwendeten piezoelektrischen Detektors ab. Das Verringern seiner Größe führt zu einer höheren Auflösung und ermöglicht die Herstellung kleinerer, dichter bestückter ein- oder zweidimensionaler Ultraschall-Arrays, die Merkmale im dargestellten Gewebe oder Material besser unterscheiden können. Wird die Größe von piezoelektrischen Detektoren jedoch weiter reduziert, beeinträchtigt das deren Empfindlichkeit wesentlich. Dadurch sind sie nicht für die praktische Anwendung geeignet.

Computerchip-Technologie zur Entwicklung eines optischen Ultraschalldetektors

Die Silizium-Photonik-Technologie wird häufig zur Miniaturisierung optischer Komponenten verwendet, um die kleine Oberfläche eines Siliziumchips dicht mit diesen zu bestücken. Während Silizium keine Piezoelektrizität aufweist, wurde seine Fähigkeit, Licht in kleineren Abmessungen als dessen optischer Wellenlänge einzufangen, bereits in großem Umfang für die Entwicklung miniaturisierter optischer Schaltkreise genutzt.

Die Forscher des Helmholtz Zentrums München und der TUM haben sich die Vorteile dieser miniaturisierten optischen Schaltkreise zu Nutze gemacht und bauten den weltweit kleinsten Ultraschalldetektor: den Silizium-Wellenleiter-Etalon-Detektor, kurz: SWED. Anstatt die Spannung von piezoelektrischen Kristallen aufzunehmen, überwacht der SWED die Änderungen in der Lichtstärke, die sich durch die miniaturisierten optischen Schaltkreise ausbreitet.

„Der neue Detektor ist kleiner als eine Blutzelle und nie zuvor wurde ein so kleiner Detektor verwendet, um Ultraschall mithilfe der Silizium-Photonik-Technologie zu messen“, sagt Rami Shnaiderman, Entwickler von SWED. „Würde man einen piezoelektrischen Detektor auf die Größenordnung von SWED verkleinern, wäre er 100 Millionen Mal weniger sensitiv.“

Ultrahochauflösende Bildgebung

„Der Grad, zu dem wir den neuen Detektor miniaturisieren und zugleich durch die Verwendung von Silizium-Photonik die hohe Sensitivität beibehalten konnten, ist unglaublich“, sagt der Leiter des Forschungsteams, Prof. Vasilis Ntziachristos. Die Größe des SWED beträgt etwa einen halben Mikrometer (= 0,0005 Millimeter). Eine solche Größe entspricht einer Fläche, die mindestens 10.000 Mal kleiner ist als die kleinsten piezoelektrischen Detektoren, die derzeit in der klinischen Bildgebung zur Anwendung kommen. Die Größe des SWED ist zudem bis zu 200 Mal geringer als die verwendete Ultraschall-Wellenlänge. Somit kann er Merkmale darstellen, die kleiner als ein Mikrometer sind. Das macht die so genannte ultrahochauflösende Bildgebung möglich.

Kostengünstig und leistungsstark

Da Siliziumplattformen robust und einfach herzustellen sind, ist es möglich eine große Anzahl an Detektoren zu einem Bruchteil der Kosten von piezoelektrische Detektoren herzustellen. Dadurch eignen sie sich für die Massenproduktion. Dies ist für die Entwicklung von verschiedenen Einsatzmöglichkeiten wichtig, die auf der Messung von Ultraschallwellen basieren. „Wir werden weiterhin jeden Parameter dieser Technologie optimieren - die Sensitivität, die Integration von SWED in große Arrays und seine Anwendung bei Handgeräten und Endoskopen“, fügt Shnaiderman hinzu.

Zukünftige Entwicklung und Anwendungen

„Ursprünglich wurde der Detektor entwickelt, um die Leistung optoakustischer Bildgebung zu verbessern – ein zentrales Forschungsgebiet des Helmholtz Zentrums München und der TUM. Nun sehen wir jedoch viel breitere Einsatzmöglichkeiten im Bereich Sensorik und Bildgebung“, erklärt Ntziachristos.

Während das Forschungsteam hauptsächlich einen Einsatz in der klinischen Diagnostik und in der biomedizinischen Grundlagenforschung anstrebt, können auch Anwendungsbereiche in der Industrie von dieser neuen Technologie profitieren. Durch die verbesserte Auflösung der Bildgebung könnten ultrafeine Details in Geweben und Materialien erforscht werden. Eine erste Reihe an Forschungsarbeiten umfasst ultrahochauflösende optoakustische (photoakustische) Bildgebung von Zellen und Mikrogefäßen in Geweben, doch SWED könnte auch eingesetzt werden, um grundlegende Eigenschaften von Ultraschallwellen und ihre Interaktionen mit Materie in einem bisher nicht möglichen Maßstab zu erforschen.

Zusammenarbeit und Patentierung

Das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung am Helmholtz Zentrum München, der Lehrstuhl für Biologische Bildgebung an der TUM und das TranslaTUM – das Zentralinstitut für Translationale Krebsforschung auf dem Campus des Klinikums Rechts der Isar, das Universitätsklinikum der TUM – haben in gleichem Maße zu dieser neuen Technologie beigetragen, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Der Schutz des geistigen Eigentums dieser Technologie ist in Bearbeitung.

Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt GmbH

News weiterempfehlen PDF Ansicht / Drucken

Teilen bei

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Ultraschall
  • Ultraschalldetektoren
  • Bildgebung
Mehr über Helmholtz Zentrum München
  • News

    Ein Licht im dunklen Gewebe

    Biomedizinische Bildgebung hat das Ziel, das Verborgene sichtbar zu machen. Mithilfe bildgebender Verfahren können wir in das Innere von Organismen sehen, sogar einzelne Zellen können sichtbar werden. Eine der größten Herausforderungen ist es, wenige Zellen im lebenden Organismus über eine ... mehr

    Bauchspeicheldrüsen-Organoide auf neu entwickelter Chip-Plattform

    Eine neue Organoid-on-Chip-Plattform ahmt die wichtigsten Merkmale der Entwicklung der menschlichen Bauchspeicheldrüse robust nach. Dies ist ein Meilenstein auf dem Weg, Bauchspeicheldrüsenkrebs künftig in einem frühen Stadium diagnostizieren zu können. Die Studie wurde von einem interdiszi ... mehr

    Neue Designer-Proteine machen Isoforme nichtinvasiv sichtbar

    Isoforme sind Varianten von Proteinen, die aus einem einzelnen Gen entstehen. Sie sind der Grund, warum wir weitaus mehr Proteine als Gene besitzen. Ein Ungleichgewicht der Isoforme steht in Verbindung mit vielen Krankheiten. Ein neues biotechnologisches Reportersystem mit Designer-Proteine ... mehr

Mehr über TUM
  • News

    Das Tetra-Neutron

    Während alle Atome außer Wasserstoff aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind, sucht die Physik seit 50 Jahren nach einem Teilchen, das aus zwei, drei oder vier Neutronen besteht. Experimente eines Teams von Physikern der Technischen Universität München (TUM) am Beschleuniger-Labor a ... mehr

    Maschinelles Lernen enthüllt Taktiken des SARS-CoV-2-Virus

    Die Proteine des SARS-Cov-2-Virus spielen eine Schlüsselrolle bei der Fähigkeit des Virus, die menschliche Immunabwehr auszutricksen und sich in Patientenzellen zu vermehren. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) hat nun den bislang u ... mehr

    Botengänger zwischen Darm und Gehirn

    Schon länger ist bekannt, dass eine Verbindung zwischen dem Darm-Mikrobiom und dem Zentralen Nervensystem (ZNS) besteht. Bisher war es allerdings nicht gelungen, die Immunzellen zu zeigen, die vom Darm ins ZNS und damit ins Hirn wandern. Ein Münchner Forschungsteam konnte nun die Wanderung ... mehr