Высокоточная ультразвуковая диагностика в наномасштабе

Инженеры и учёные из Ноттингемского университета создали самые маленькие в мире ультразвуковые преобразователи, способные генерировать и детектировать ультразвук. Эти революционные устройства на порядки меньше современных систем — настолько крошечные, что до 500 самых маленьких из них можно разместить в ширину одного человеческого волоса.

На ранней стадии разработки эти устройства открывают множество возможностей для визуализации и измерений в масштабах в тысячу раз меньших, чем у обычного ультразвука. Их можно сделать настолько маленькими, что они смогут размещаться внутри клеток для проведения внутриклеточной ультразвуковой диагностики. Они могут генерировать ультразвук такой высокой частоты, что его длина волны меньше, чем у видимого света. Теоретически это позволяет ультразвуковым изображениям достигать более высокой детализации, чем у самых мощных оптических микроскопов.

Работа группы прикладной оптики была признана столь потенциально инновационной, что в прошлом году ей был присуждён грант в £850 000 на 5 лет от Инженерно-физического научно-исследовательского совета (EPSRC). Команда также получила дополнительное финансирование в £350 000 от EPSRC для поддержки аэрокосмических исследований.

Мэтт Кларк из группы прикладной оптики заявил: "С развитием нанотехнологий требуются более мощные диагностические инструменты, особенно те, которые могут работать неразрушающим образом и использоваться для определения механических и химических свойств образцов в этом масштабе. Эти новые преобразователи невероятно перспективны и переносят возможности ультразвука в наномасштаб".

Как работают нанопреобразователи

Ультразвуковые преобразователи представляют собой сэндвич- или оболочечные структуры, тщательно сконструированные для обладания как оптическими, так и ультразвуковыми резонансами.

• При попадании на них импульса лазерного излучения они начинают колебаться с высокой частотой, генерируя ультразвуковые волны в образце.
• При возбуждении ультразвуком преобразователи слегка деформируются, что изменяет их оптические резонансы, которые детектируются лазером.

Устройства могут быть изготовлены либо методами микро-/нано-литографии (аналогичными производству микросхем), либо методом молекулярной самосборки.

Перспективы применения

Помимо медицинской визуализации, ультразвук широко используется в инженерии и для химического зондирования. Эти крошечные преобразователи открывают возможность применения этих методов в наномасштабе, например, внутри клеток и на наноинженерных компонентах.

Доктор Кларк пояснил: "Представьте визуализацию внутри клеток, аналогичную ультразвуковому сканированию тела. Теоретически мы можем получить более высокое разрешение, чем с оптическими микроскопами... Кроме того, преобразователи могут стать высокочувствительными химическими сенсорами — ультразвуковые ПАВ-сенсоры используются в обычном масштабе для электронных носов — это позволит распределять химические сенсоры в тканях или, например, в краске — создавая покрытие, способное обнаруживать коррозию или взрывчатые вещества".