Medizinische Bildgebung Technologie für hochauflösende Ultraschalluntersuchungen

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Imec-Forscher haben ein piezoelektrisches, mikromaschinell gefertigtes Ultraschallwandler-Array für die Ultraschallbildgebung entwickelt. Das stellt die erste Demonstration einer Ultraschallplattform dar, die kompatibel mit Flat-Panel-Display-Prozessen ist und den Weg für großflächige und gewölbte Anwendungen ebnen kann.

Forscher bei Imec, einem Forschungszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, haben ein piezoelektrisches, mikromaschinell gefertigtes Ultraschallwandler-Array (PMUT) der zweiten Generation für die Ultraschallbildgebung vorgestellt. Das Array mit einer piezoelektrischen AlScN-Schicht ermöglicht eine Bilderfassung und Strahlführung bis zu einer Tiefe von 10 cm im Wasser. Dieser Fortschritt ermöglicht komplexe Ultraschallanwendungen auf gekrümmten Oberflächen und bringt die medizinische Bildgebung und Überwachung voran. Die Zusammenarbeit von Imec mit Pulsify Medical bringt die nicht-invasive, arztunabhängige Herzüberwachung der Realität einen Schritt näher.

Fortschritte in der Ultraschall-Bildgebung

Die Verwendung von Ultraschall zur nicht-invasiven Darstellung eines Fötus im Mutterleib ist verbreiteter Standard. Dabei werden hochfrequente Schallwellen in den Körper geschickt und ihr Echo in elektrische Signale umgewandelt, um Echtzeitbilder zu erzeugen. Neben der medizinischen Bildgebung finden Ultraschallwellen auch Anwendung in der biometrischen Identifizierung, der Gestenerkennung (z. B. in der Automobilindustrie und bei Virtual-Reality-Anwendungen) und in verschiedenen anderen Bereichen. Gegenwärtig werden Ultraschallwandler in der Regel in Silizium-Halbleiterfabs hergestellt. Für eine hochauflösende medizinische Bildgebung mit großer Erfassungsfläche benötigt man aber auch große Sensoren, was für siliziumbasierte Sensoren wegen der hohen Kosten pro mm^² problematisch ist.

PMUT-Arrays ermöglichen großflächige Darstellungen

Im Jahr 2021 stellte Imec Flat-Panel-Display(FPD)-kompatible piezoelektrische mikrobearbeitete Ultraschallwandler-Arrays auf Glas vor. Durch den Wechsel von waferbasierten zu FPD-kompatiblen Prozessen wird eine kostengünstige Hochskalierung von Ultraschallsensoren ermöglicht. Aufgrund der Kompatibilität mit bestehenden Dünnschichttransistor-Backplanes und der Tatsache, dass diese Wandlertechnologie nicht durch Beschränkungen der Wafergröße behindert wird, konnten PMUT-Arrays großflächig hergestellt werden. Allerdings war die Leistung des polymeren piezoelektrischen Materials noch nicht ausreichend für eine hochwertige medizinische Bildgebung.

Jetzt hat Imec ein PMUT-Array der zweiten Generation mit einem anderen piezoelektrischen Material, nämlich AlScN (Aluminium-Skandium-Nitrit), vorgestellt. „Durch die frühzeitige Verwendung eines Glassubstrats anstelle von kristallinem Silizium konnten die Flächenrestriktionen überwunden werden. Dieses PMUT-Array der neuen Generation weist zudem einen zehnmal höheren Schalldruck auf als die Vorgängergeneration“, erklärt Epimitheas Georgitzikis, Imec-Forschungs­projektleiter von „Listen2Future“. Es wurden Bilder aus einer Entfernung von bis zu 10 cm mit einem Druck von über 7 kPa in Wasser aufgenommen, wodurch es sich für die Hochleistungssonographie eignet.

Ausblick auf die flexible Sonographie

„Die nächsten Schritte sind die Ausreifung der Technologie und die Optimierung des Geräts auf bestimmte Frequenzen. Dann wird die Technologie große Ultraschall-Arrays auf gekrümmten Oberflächen ermöglichen, wie Sensoren für den menschlichen Körper oder Armaturenbretter in Autos, und die Integration von Ultraschallfunktionen auf großen, nicht ebenen Oberflächen erleichtern. So entstehen spannende Möglichkeiten für innovative Ultraschallanwendungen“, sagt Erwin Hijzen, Imec-Programmdirektor für MEMS- Ultraschall.

In Zusammenarbeit mit Pulsify Medical hat das Imec bereits einen Proof-of-Concept für ein starres medizinisches Pflaster zur Herzüberwachung entwickelt, welches nicht-invasive Langzeitüberwachungen außerhalb von Krankenhäusern ermöglicht, ohne dass ein Arzt hinzugezogen werden muss. Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts „Listen2Future“ wird die Entwicklung eines flexiblen Ultraschallpflasters weiter vorangetrieben.

* Die Autoren: Erwin Hijzen ist Direktor MEMS-Ultraschallprogramm bei Imec und Epimitheas Georgitzikis ist Forschungsprojektleiter „Listen2Future“ bei Imec.

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