Imágenes de súper resolución: Desarrollan el detector de ultrasonido más pequeño del mundo, más pequeño que una célula sanguínea

Investigadores del Helmholtz Zentrum München y de la Universidad Técnica de Munich (TUM) han desarrollado el detector de ultrasonidos más pequeño del mundo. Está basado en circuitos fotónicos miniaturizados sobre un chip de silicio. Con un tamaño 100 veces más pequeño que un cabello humano promedio, el nuevo detector puede visualizar características que son mucho más pequeñas que las posibles anteriormente, lo que lleva a lo que se conoce como imágenes de súper resolución.

Desde el desarrollo de las imágenes médicas por ultrasonido en la década de 1950, la tecnología básica de detección de las 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 la imagen lograda con la ecografía depende del tamaño del detector piezoeléctrico empleado. La reducción de este tamaño conduce a una mayor resolución y puede ofrecer conjuntos de ultrasonidos unidimensionales o bidimensionales más pequeños y densos, con una mayor capacidad para discriminar las características del tejido o material fotografiado. Sin embargo, si se reduce aún más el tamaño de los detectores piezoeléctricos, su sensibilidad se ve drásticamente afectada, lo que hace que no se puedan utilizar en la práctica.

El uso de la tecnología de chips de ordenador para crear un detector óptico de ultrasonidos

La tecnología fotónica del silicio se utiliza ampliamente para miniaturizar los componentes ópticos y empaquetarlos densamente en la pequeña superficie de un chip de silicio. Aunque el silicio no presenta ninguna piezoelectricidad, su capacidad de confinar la luz en dimensiones menores que la longitud de onda óptica ya ha sido ampliamente explotada para el desarrollo de circuitos fotónicos miniaturizados.

Los investigadores del Helmholtz Zentrum München y de la TUM aprovecharon las ventajas de esos circuitos fotónicos miniaturizados y construyeron el detector de ultrasonidos más pequeño del mundo: el detector de guía de ondas de silicio y de metalón, o SWED. En lugar de registrar el voltaje de los cristales piezoeléctricos, el SWED monitoriza los cambios en la intensidad de la luz que se propaga a través de los circuitos fotónicos miniaturizados.

“Es la primera vez que se utiliza un detector más pequeño que el tamaño de un glóbulo sanguíneo para detectar ultrasonidos 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”.

Imágenes de súper resolución

“El grado en que fuimos capaces de miniaturizar el nuevo detector, manteniendo al mismo tiempo una alta sensibilidad debido al uso de fotónicos de silicio, fue impresionante”, dice el Prof. Vasilis Ntziachristos, jefe del equipo de investigación. El tamaño del SWED es de aproximadamente medio micrón (=0,0005 milímetros). Este tamaño corresponde a un área que es al menos 10.000 veces más pequeña que los detectores piezoeléctricos más pequeños empleados en las aplicaciones de imágenes clínicas. El SWED es también hasta 200 veces más pequeño que la longitud de onda de los ultrasonidos empleados, lo que significa que puede ser utilizado para visualizar características que son menores de un micrómetro, lo que conduce a lo que se llama imágenes de super-resolución.

Barato y potente

A medida que la tecnología aprovecha la robustez y la facilidad de fabricación de la plataforma de silicio, se puede producir un gran número 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 una serie de aplicaciones de detección diferentes basadas en las ondas de ultrasonido. “Seguiremos optimizando todos los parámetros de esta tecnología – la sensibilidad, la integración de SWED en grandes conjuntos, y su implementación en dispositivos de mano y endoscopios”, añade Shnaiderman.

Desarrollo y aplicaciones futuras

“El detector fue desarrollado originalmente para impulsar el rendimiento de la imagen optoacústica, que es un foco importante de nuestra investigación en Helmholtz Zentrum München y TUM. Sin embargo, ahora prevemos aplicaciones en un campo más amplio de la detección y la imagen”, dice Ntziachristos.

Mientras que los investigadores apuntan principalmente a aplicaciones en diagnósticos clínicos e investigación biomédica básica, las aplicaciones industriales también pueden beneficiarse de la nueva tecnología. El aumento de la resolución de las imágenes puede conducir al estudio de detalles ultrafinos en los tejidos y materiales. Una primera línea de investigación consiste en la obtención de imágenes optoacústicas (fotoacústicas) de súper resolución de las células y la microvasculatura de los tejidos, pero la SWED también podría utilizarse para estudiar las propiedades fundamentales de las ondas ultrasónicas y sus interacciones con la materia a una escala que antes no era posible.

Referencia: “Un resonador submicrométrico de silicio sobre aislante para la detección de ultrasonidos” por Rami Shnaiderman, Georg Wissmeyer, Okan Ülgen, Qutaiba Mustafa, Andriy Chmyrov y Vasilis Ntziachristos, 16 de septiembre de 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2685-y