Puce de silicium avec plusieurs détecteurs

Puce de silicium (environ 3 mm x 6 mm) avec plusieurs détecteurs. Les fines gravures noires à la surface de la puce sont les circuits photoniques interconnectant les détecteurs (non visibles à l’œil nu). En arrière-plan, un circuit photonique à plus grande échelle sur une tranche de silicium. Crédit: © Helmholtz Zentrum Muenchen / Roman Shnaiderman

Des chercheurs du Helmholtz Zentrum München et de l’Université technique de Munich (TUM) ont mis au point 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 que ce qui était auparavant possible, 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 des réseaux d’ultrasons à une ou deux dimensions plus petits, densément compactés, avec une capacité améliorée à distinguer les caractéristiques du tissu ou du 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 au silicium est largement utilisée pour miniaturiser les composants optiques et les emballer de manière dense sur la petite surface d’une puce de silicium. Si 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 München et de TUM ont tiré parti des avantages de ces circuits photoniques miniaturisés et ont construit le plus petit détecteur d’ultrasons au monde: le détecteur à guide d’ondes en silicium-étalon, 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 au silicium», explique Rami Shnaiderman, développeur de SWED. «Si un détecteur piézoélectrique était miniaturisé à l’échelle du SWED, il serait 100 millions de fois moins sensible.»

Imagerie super-résolution

«La mesure dans laquelle nous avons pu miniaturiser le nouveau détecteur tout en conservant une sensibilité élevée grâce à l’utilisation de la photonique au silicium était époustouflante», déclare le professeur Vasilis Ntziachristos, responsable de l’équipe de recherche. La taille SWED est d’environ un demi-micron (= 0,0005 millimètre). Cette taille correspond à une surface au moins 10 000 fois plus petite 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 ultrasonore utilisée, ce qui signifie qu’il peut être utilisé pour visualiser des caractéristiques inférieures à un micromètre, conduisant à ce que l’on appelle une imagerie à super-résolution.

Peu coûteux et puissant

Comme la technologie capitalise sur la robustesse et la facilité de fabrication de la plate-forme en silicium, un grand nombre de détecteurs peut être produit à une petite fraction du coût des détecteurs piézoélectriques, ce qui rend la production de masse possible. 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 grandes baies et sa mise en œuvre dans les appareils portatifs et les endoscopes», ajoute Shnaiderman.

Développement futur et applications

«Le détecteur a été développé à l’origine pour propulser les performances de l’imagerie optoacoustique, qui est un axe majeur de nos recherches à Helmholtz Zentrum München et TUM. Cependant, nous envisageons maintenant des applications dans un domaine plus large de la détection et de l’imagerie », déclare 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. L’augmentation de la résolution d’imagerie peut conduire à l’étude de détails ultra-fins dans les tissus et les matériaux. Une première ligne d’investigation concerne l’imagerie optoacoustique (photoacoustique) super-résolution des cellules et la micro-vasculature 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. .

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Référence: «Un résonateur silicium sur isolant submicrométrique pour la détection par ultrasons» par Rami Shnaiderman, Georg Wissmeyer, Okan Ülgen, Qutaiba Mustafa, Andriy Chmyrov et Vasilis Ntziachristos, 16 septembre 2020, La nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2685-y

Collaboration et brevetage

L’Institut d’imagerie biologique et médicale de Helmholtz Zentrum München, la Chaire d’imagerie biologique de TUM et TranslaTUM – l’Institut central de recherche translationnelle sur le cancer de l’hôpital universitaire de TUM Klinikum Rechts der Isar, ont également contribué à cette nouvelle technologie qui a été publiée dans le journal La nature. La protection des aspects intellectuels de cette technologie est en cours.

Helmholtz Zentrum München

Helmholtz Zentrum München est un centre de recherche dont la mission est de découvrir des solutions médicales personnalisées pour la prévention et le traitement des maladies déclenchées par l’environnement et de promouvoir une société plus saine dans un monde en évolution rapide. Helmholtz Zentrum München a son siège à Neuherberg dans le nord de Munich et compte environ 2 500 employés. Elle est membre de l’Association Helmholtz, la plus grande organisation scientifique d’Allemagne avec plus de 40 000 employés dans 19 centres de recherche.