Bildgebung per Terahertzwellen: Neuartiger Chip für Anwendungen in der Biomedizin

01.03.2018 - Deutschland

Eine Auflösung von 10 Mikrometer erzielt ein neuer Bildgebungssensor, den Prof. Dr. Ullrich Pfeiffer vom Lehrstuhl für Hochfrequenzsysteme in der Kommunikationstechnik an der Bergischen Universität Wuppertal und sein Team entwickelt haben. Das entspricht der Größenordnung einzelner Zellen lebender Organismen. Damit könnte der Chip zum Beispiel in der Krebsdiagnostik zum Einsatz kommen – zur Differenzierung von Krebsgewebe und gesundem Gewebe.

„Bei der Entwicklung des Chips haben wir neue Wege der hochauflösenden Bildgebung mittels Terahertzwellen beschritten“, ordnet Prof. Pfeiffer das Projekt ein. „Traditionelle Bildgebungsverfahren beruhen auf der Absorption und Reflektion von elektromagnetischen Wellen im sogenannten Fernfeld. Die Auflösung dieser Technologie ist durch Beugungseffekte fundamental auf die halbe Strahlungswellenlänge (λ/2) begrenzt.“ Um Strukturen zu analysieren, die kleiner als diese Auflösungsgrenze sind, werden bisher hochkomplexe mikroskopische Verfahren verwendet, zum Beispiel die STED-Mikroskopie oder die Rasternahfeldmikroskopie. Ihr Nachteil: Sie sind kostspielig und aufwendig.

Der von den Wuppertaler Wissenschaftlern entwickelte Bildgebungssensor setzt dagegen auf Terahertzwellen und überwindet die beugungsbedingte Auflösungsgrenze. Prof. Pfeiffer: „Der Sensor beruht auf der Interaktion von elektromagnetischen Wellen mit Objekten im sogenannten Nahfeld und erreicht dadurch eine Auflösung von 10 µm bei einer Frequenz von 560 GHz (λ/55).“ Er beinhaltet 128 in einer Linie angeordnete Sensoreinheiten und eine vollständig integrierte Echtzeit-Ausleseelektronik. Ansteuerung und Versorgung erfolgen allein über die USB-Schnittstelle eines Computers. „Wir zeigen somit erstmals ein Terahertz-Gesamtsystem, dessen Integrationsgrad vergleichbar mit dem von konventioneller integrierter Elektronik ist, und erzielen einen Durchbruch für die Verwendung des bisher wenig erforschten Terahertz-Frequenzbereichs“, so der Forscher.

Vorgestellt haben die Wissenschaftler ihre Arbeit auf der International Solid-State Circuits Conference Mitte Februar 2018 in San Francisco, dem weltweit führenden Forum für die Präsentation von Fortschritten bei Halbleiterschaltungen und System-on-a-Chip Entwicklungen. Der nächste Schritt führt ins Feld: Der Chip kommt bei der Unicancer Group Bordeaux zum Einsatz, einem Projektpartner des Lehrstuhls von Prof. Pfeiffer.

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