Kleinste echograaf ter wereld ‘ziet’ ultrascherp

Astrid Kromhout

2020-09-23 15:00:00

Kleinste echograaf op siliconenchip

Een echo-apparaat dat honderd keer kleiner is dan een haar kan weefsels in superresolutie in beeld brengen.

Veel mensen kennen de echo van een bijzonder moment: het eerste beeld dat ze krijgen van hun ongeboren kind in de buik van de moeder. Hoe dat apparaat werkt, zal ze dan waarschijnlijk worst wezen. Het doet wat het moet doen: het laat door allerlei weefsels heen zien hoe het embryo in de baarmoeder ligt.

Die eigenschap van een echograaf is voor allerlei soorten medisch onderzoek handig, bijvoorbeeld om tumoren in beeld te brengen. Hoe beter details zichtbaar worden, des te eerder kan een arts de juiste behandeling starten. Nu hebben Duitse wetenschappers een nieuw mini-echo-apparaat ontwikkeld dat tot 100 miljoen keer gevoeliger is dan de huidige detectoren. 

Lees ook:

Hoe kleiner, hoe scherper

Een echo-apparaat doet wat de naam zegt: het zendt ultrasoon geluid uit. Weefsels en organen weerkaatsen dat (vandaar echo), waarna het apparaat de opgevangen geluidsgolven omzet in zwart-witbeelden. Het maakt hiervoor gebruik van detectoren, of transducers, die met behulp van kristallen de druk van de hoogfrequente geluidsgolven omzetten in elektriciteit (het piëzo-elektrisch effect). 

Hoe scherp het beeld is, hangt af van de frequentie van het geluid en de vorm van de transducer. Een platte detector zendt de geluidsgolven bijvoorbeeld parallel uit, voor onderzoek aan oppervlakkig weefsel zoals de huid. Waaiervormige golven uit een bolle omvormer zijn beter in het detecteren van dieperliggende organen, zoals in de buik bij een zwangerschap. Hoe kleiner de omvormer, des te beter de resolutie van de beelden omdat de geluidsgolven dichter bij elkaar zitten. 

Maar daar zit een grens aan. De ontvangers worden namelijk ook minder gevoelig. Wetenschappers van het Helmholtz Zentrum in München bedachten een oplossing in een verrassende richting. Ze keken hiervoor naar computerchiptechnologie. 

Echograaf op siliciumchip

Op een minuscule siliciumchip passen grote hoeveelheden optische onderdelen. Silicium kan licht terugbrengen tot proporties die kleiner zijn dan optische golflengtes. Deze eigenschap gebruikten de onderzoekers voor het maken van een silicium golflengtedetector, SWED genaamd. In plaats van de elektriciteit uit druk, zoals de huidige echo, meet deze nieuwe SWED veranderingen in lichtintensiteit om ultrasoon geluid op te vangen.

Kleinste echograaf op siliconenchip
Dit is de SWED. Een siliciumchip (ca. 3 mm x 6 mm) met meerdere transducers. De fijne zwarte lijntjes op het oppervlak zijn de lichtgevoelige elektrische circuits die de transducers (niet zichtbaar met het blote oog) aan elkaar verbinden.

Het resultaat is een omvormer van een halve micron groot (0,0005 mm), honderd keer kleiner dan een haar, zelfs kleiner dan een bloedcel. Het is daarmee volgens de onderzoekers de kleinste echograaf ter wereld. Tegelijkertijd kan het apparaat details zien die vijftig keer kleiner zijn dan met een ultrasone golflengte te detecteren is. Bovendien is het honderd miljoen keer gevoeliger dan zo’n ‘ouderwetse’ piëzo-elektrisch echograaf.

Omdat het relatief simpel is om siliciumtechnologie te produceren, kunnen deze nieuwe detectoren snel in hoge aantallen gefabriceerd worden en tegen veel lagere kosten dan de ultrasone apparaten, zegt het Helmholtz Zentrum. Ze noemen niet alleen andere toepassingen in kleinere medische apparaten zoals endoscopen, maar ook mogelijkheden voor de industrie om ultrafijne details in weefsels en materialen te kunnen bestuderen. Zelfs onderzoek naar de invloed van ultrasone golven op materie is een optie.

Ultrascherpe babyecho?

Zien aanstaande ouders dan in de toekomst een superscherpe foto van hun baby in de buik? Op de vraag wat voor nieuwe mogelijkheden dit apparaat hem zou kunnen bieden, antwoordt radioloog Peter Pattynama van het Groene Hart Ziekenhuis: 

“Ik begrijp dat de groep erin is geslaagd een ultrakleine transducer te produceren om ultrasoon geluid te detecteren met een frequentie van 230 MHz. Ter vergelijking: de transducers gebruikt in de geneeskunde hebben een frequentiebereik in de orde van 3,5 tot 20 MHz. Dat is een factor 12 tot 65 hogere frequentie. Interessant!
Hoewel het Nature artikel alleen spreekt over “detecteren” en niet over “genereren” van ultrageluid, ga ik er even van uit dat de nieuwe transducer ook ultrageluid kan uitzenden.
Ultrageluid van hogere frequentie levert inderdaad fijner detail op, maar het reikt ook minder diep in het weefsel. Mijn vraag is dus: hoe diep kan deze transducer kijken? Dit bepaalt namelijk in hoge mate de toepasbaarheid van de techniek.
Als de penetratiediepte enkele millimeters is, dan kunnen uitsluitend oppervlakkige structuren worden onderzocht. Gebruik wordt dan beperkt tot gebieden als reumatologie, plastische chirurgie of dermatologie, om structuren direct in of onder de huid te beoordelen. Of eventueel om de binnenkant van bloedvaten diep in het lichaam te bekijken, wanneer de transducer wordt gemonteerd op de tip van een angiografiekatheter, een inmiddels alweer 25 jaar oude techniek. 
Bij een diepte onder de 1 mm wordt het wel heel moeilijk om een praktische medische toepassing te bedenken. Gebruik bij een zwangerschapsecho zal volgens mij een paar bruggen te ver zijn. 
Daarom denk ik dat deze techniek waarschijnlijk een toepassing op een heel ander vlak zal vinden.”

Anesthesioloog Rein Ketelaars van het Radboud universitair medisch centrum ziet ook vooral toepassingen buiten de medische praktijk:

“De onderzoekers hebben laten zien dat het mogelijk is om op zeer kleine schaal een detector voor ultrageluid te ontwerpen. Revolutionair is dat ze geen gebruikmaken van piëzo-elektrische kristallen waarmee traditioneel ultrageluid wordt uitgezonden én weer wordt opgevangen, maar van een specifieke, microscopisch kleine optische techniek. Niet alleen superklein, maar ook veel gevoeliger!
Een van de volgende stappen is uiteraard het zoeken naar toepasbaarheid in de praktijk. Dat kan een medische toepassing zijn, maar dat hoeft natuurlijk helemaal niet. Met echografie kun je ook materialen anders dan menselijk of dierlijk weefsel of organen in beeld brengen. De onderzoekers suggereren zelf dat deze nieuwe techniek ook gebruikt kan worden voor verder onderzoek naar eigenschappen van ultrageluid.
Met een veel hogere frequentie dan die van reguliere echo-apparatuur kan het ultrageluid onmogelijk verder dan een of enkele millimeters in weefsel doordringen. Hierdoor zou ik aan toepassingen denken zoals het in beeld brengen van een bloedvat van binnenuit. Men zou naar een vernauwde kransslagader van het hart of in de hersenen kunnen kijken, wat overigens nu ook al mogelijk is, straks dus wellicht met een veel hogere resolutie. Maar die kleine bloedvaten zijn voor deze detector waarschijnlijk nog veel te groot. Op nog kleinere schaal zou men structuren zoals haarvaten, onderdelen van het netvlies van het oog of zelfs individuele cellen in beeld kunnen brengen.
Om dieper door te dringen in weefsel en organen, wordt gebruik gemaakt van relatief lage frequenties van ultrageluid. Tenzij het de onderzoekers lukt om deze detector ook geschikt te maken voor deze lagere frequenties, is de toepasbaarheid voor de klinische praktijk beperkt, vermoed ik, en zal deze nieuwe techniek vooral ingezet kunnen worden in basaal wetenschappelijk onderzoek, zowel medisch, biologisch als in de fysica.”

Bronnen: Helmholtz Zentrum München, Nature, Kennislink, Startpunt Radiologie

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 







Podcast KIJK en luister via JUKE



Meer Nieuws