Theo dòng sự kiện

Phát triển máy dò siêu âm nhỏ nhất thế giới

06/10/2020, 15:58

TNNN - Với kích thước nhỏ hơn 100 lần so với sợi tóc trung bình của con người, máy dò mới có thể cho chúng ta thấy được những điểm đặc trưng nhỏ hơn nhiều so với trước đây, dẫn đến cái được gọi là hình ảnh siêu phân giải.

Các nhà nghiên cứu tại Helmholtz Zentrum München và Đại học Kỹ thuật Munich (TUM) đã phát triển máy dò siêu âm nhỏ nhất thế giới. Nó dựa trên các mạch quang tử thu nhỏ trên đầu một chip silicon. Với kích thước nhỏ hơn 100 lần so với sợi tóc trung bình của con người, máy dò mới có thể cho chúng ta thấy được những điểm đặc trưng nhỏ hơn nhiều so với trước đây, dẫn đến cái được gọi là hình ảnh siêu phân giải.

Kể từ khi hình ảnh siêu âm y tế phát triển vào những năm 1950, công nghệ phát hiện cốt lõi của sóng siêu âm chủ yếu tập trung vào việc sử dụng đầu dò áp điện, chuyển đổi áp suất từ ​​sóng siêu âm thành điện áp. Độ phân giải hình ảnh đạt được với siêu âm phụ thuộc vào kích thước của máy dò áp điện được sử dụng. Việc giảm kích thước này dẫn đến độ phân giải cao hơn và có thể cung cấp các mảng siêu âm một hoặc hai chiều nhỏ hơn, được đóng gói dày đặc với khả năng cải thiện sự phân biệt các đặc điểm trong mô hoặc vật liệu được chụp ảnh. Tuy nhiên, việc giảm kích thước của các máy dò áp điện làm giảm đáng kể độ nhạy của chúng, khiến chúng không thể sử dụng được cho các ứng dụng thực tế.

Sử dụng công nghệ chip máy tính để tạo ra một máy dò siêu âm quang học

Công nghệ quang tử silicon được sử dụng rộng rãi để thu nhỏ các thành phần quang học và đóng gói chúng trên bề mặt nhỏ của chip silicon. Mặc dù silicon không thể hiện bất kỳ tính áp điện nào, nhưng khả năng hạn chế ánh sáng của nó trong các kích thước nhỏ hơn bước sóng quang học đã được khai thác rộng rãi để phát triển các mạch quang tử thu nhỏ.

Các nhà nghiên cứu tại Helmholtz Zentrum Munchen và TUM đã tận dụng những ưu điểm của các mạch quang tử thu nhỏ đó và chế tạo máy dò siêu âm nhỏ nhất thế giới: máy dò silicon-etalon ống dẫn sóng (SWED). Thay vì ghi lại điện áp từ các tinh thể áp điện, SWED giám sát sự thay đổi của cường độ ánh sáng truyền qua các mạch quang tử thu nhỏ.

Rami Shnaiderman, nhà phát triển của SWED cho biết: “Đây là lần đầu tiên một máy dò nhỏ hơn kích thước của tế bào máu được sử dụng để phát hiện siêu âm bằng công nghệ quang tử silicon. Nếu một máy dò áp điện được thu nhỏ theo quy mô của SWED, nó sẽ kém nhạy hơn 100 triệu lần".

Hình ảnh siêu phân giải

Giáo sư Vasilis Ntziachristos, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Mức độ mà chúng tôi có thể thu nhỏ máy dò mới trong khi vẫn giữ được độ nhạy cao do sử dụng quang tử silicon thật ngoạn mục”. Kích thước của SWED khoảng nửa micrômet (= 0,0005 milimét). Kích thước này nhỏ hơn ít nhất 10.000 lần so với các máy dò áp điện nhỏ nhất được sử dụng trong các ứng dụng hình ảnh lâm sàng. SWED cũng nhỏ hơn tới 200 lần so với bước sóng siêu âm được sử dụng, có nghĩa là nó có thể được sử dụng để nhìn thấy những điểm nhỏ hơn một micromet, dẫn đến cái được gọi là hình ảnh siêu phân giải.

Không tốn kém và mạnh mẽ

Khi công nghệ tận dụng được tính mạnh mẽ và khả năng sản xuất dễ dàng của nền tảng silicon, số lượng lớn máy dò có thể được sản xuất với một phần nhỏ chi phí của máy dò áp điện, giúp cho việc sản xuất hàng loạt trở nên khả thi. Điều này rất quan trọng để phát triển một số ứng dụng phát hiện khác nhau dựa trên sóng siêu âm. Shnaiderman cho biết thêm: “Chúng tôi sẽ tiếp tục tối ưu hóa mọi thông số của công nghệ này - độ nhạy, sự tích hợp của SWED trong các mảng lớn và việc triển khai nó trong các thiết bị cầm tay và ống nội soi”.

Phát triển và ứng dụng trong tương lai

Ntziachristos cho biết: "Máy dò ban đầu được phát triển để thúc đẩy hiệu suất của hình ảnh quang học. Đây là trọng tâm chính trong nghiên cứu của chúng tôi tại Helmholtz Zentrum München và TUM. Tuy nhiên, bây giờ chúng tôi có thể thấy được những ứng dụng này trong lĩnh vực cảm biến và hình ảnh khả thi hơn trong tương lai”.

Trong khi các nhà nghiên cứu chủ yếu hướng tới các ứng dụng trong chẩn đoán lâm sàng và nghiên cứu y sinh cơ bản, các ứng dụng công nghiệp cũng có thể được hưởng lợi từ công nghệ mới. Độ phân giải hình ảnh tăng có thể dẫn đến việc nghiên cứu các chi tiết siêu nhỏ trong mô và vật liệu. SWED cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các đặc tính cơ bản của sóng siêu âm và tương tác của chúng với vật chất trên một quy mô mà trước đây không thể thực hiện được.

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily

Bình luận