Seit der Entwicklung der medizinischen Ultraschall-Bildgebung in den 1950ern beruhte die zentrale Technologie, mit der Ultraschallwellen hauptsächlich gemessen werden, auf dem Einsatz piezoelektrischer Detektoren. Diese wandeln den Druck von Ultraschallwellen in elektrische Spannung um. Die Auflösung, die bei der Bildgebung mit Ultraschall erreicht werden kann, hängt dabei von der Größe des verwendeten piezoelektrischen Detektors ab. Je kleiner er wird, desto höher kann die Auflösung sein. Denn mit kleinen Detektoren lassen sich dicht bestückte ein- oder zweidimensionaler Ultraschall-Arrays herstellen, die Merkmale im dargestellten Gewebe oder Material besser unterscheiden können.
Bei piezoelektrischen Detektoren wird jedoch irgendwann der Punkt erreicht, an dem sie nicht kleiner werden können, ohne dass ihre Empfindlichkeit eingeschränkt wird. Dadurch sind sie dann nicht mehr für die praktische Anwendung geeignet.
Allerdings bietet die Silizium-Photonik-Technologie interessante Möglichkeiten für diese Aufgabe. Sie wird häufig verwendet, wenn Komponenten miniaturisiert werden sollen. Die kleine Oberfläche eines Siliziumchips lässt sich dicht bestücken. Silizium weist zwar keine Piezoelektrizität auf, aber es kann Licht in kleineren Abmessungen als dessen optischer Wellenlänge einfangen. Das wurde bereits in großem Umfang für die Entwicklung miniaturisierter optischer Schaltkreise genutzt.
Forscher des Helmholtz-Zentrums München und der Technischen Universität München (TUM) haben sich die Vorteile dieser miniaturisierten optischen Schaltkreise zu Nutze gemacht und den weltweit kleinsten Ultraschalldetektor gebaut: 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.
Nie war ein Detektor für Ultraschall so klein
„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 des SWEDs und Mitarbeiter am Institut für biologische und medizinische Bildgebung am Helmholtz-Zentrum München. „Würde man einen piezoelektrischen Detektor auf die Größenordnung von SWED verkleinern, wäre er einhundert Millionen Mal weniger sensitiv.“
„Unglaublich“ sei der Grad, zu dem die Forscher den neuen Detektor miniaturisieren und zugleich durch die Verwendung von Silizium-Photonik eine hohe Sensitivität beibehalten konnten, sagt der Leiter des Forschungsteams, Prof. Vasilis Ntziachristos. Der SWED ist nur etwa 0,5 µm groß. Eine solche Größe entspricht einer Fläche, die mindestens 10 000 Mal kleiner ist als die kleinsten piezoelektrischen Detektoren, die derzeit in der klinischen Bildgebung eingesetzt werden. Der SWED ist zudem bis zu 200 Mal kleiner als die verwendete Ultraschall-Wellenlänge. Somit kann er Merkmale darstellen, die kleiner als 1 µm sind. Das ermöglicht die so genannte ultrahochauflösende Bildgebung.
Da Siliziumplattformen robust und einfach zu fertigen sind, lassen sich viele Detektoren zu einem Bruchteil der Kosten piezoelektrischer Detektoren herstellen. Dadurch eignen sie sich für die Massenproduktion. Dies ist für die Entwicklung verschiedener 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 ihre Anwendung bei Handgeräten und Endoskopen“, fügt Shnaiderman hinzu.
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.
Einsatz in klinischer Diagnostik sowie in der Industrie
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. Der Schutz des geistigen Eigentums dieser Technologie ist in Bearbeitung.
Eine erste Reihe an Forschungsarbeiten umfasst ultrahochauflösende optoakustische (photoakustische) Bildgebung von Zellen und Mikrogefäßen in Geweben, doch SWED könnten auch eingesetzt werden, um grundlegende Eigenschaften von Ultraschallwellen und ihre Interaktionen mit Materie in einem bisher nicht möglichen Maßstab zu erforschen. (op)
An der Forschungsarbeit beteiligt waren das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung am Helmholtz Zentrum München, der Lehrstuhl für Biologische Bildgebung an der TUM, das Translatum – Zentralinstitut für Translationale Krebsforschung auf dem Campus des Klinikums Rechts der Isar sowie das Universitätsklinikum der TUM.
Originalveröffentlichung: www.nature.com/articles/s41586-020-2685-y
Über die Forscher
Am Helmholtz-Zentrum München werden personalisierte medizinische Lösungen zur Prävention und Therapie von umweltbedingten Krankheiten entwickelt. Das Zentrum beschäftigt rund 2500 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft.
Kontakt zu den Forschern:
Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt
Ingolstädter Landstr.1
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Telefon: +49 (0) 89 3187-0
