Realization of a fully integrated electronic-photonic sensor-receiver array for endoscopic ultrasound

Abstract

Ultrasound imaging remains an indispensable tool in numerous medical disciplines ranging from oncology to cardiology and from dermatology to ophthalmology. Imagers employing piezoelectric and capacitive micromachined transducers have long been the golden standard when it comes to traditional ultrasonography procedures such as abdominal, pelvic or obstetric scans. However, when used in endoscopic, intravascular, and catheterized applications, traditional receiver implementations have demonstrated serious shortcomings in terms of power dissipation and achieved form factor. The focus of this thesis is on the development and realization of an electronic-photonic ultrasound receiver system capable of tackling modern miniaturized endoscopic probe specifications. It begins with an overview of the existing electrical and optical ultrasound imaging technologies, which spotlights the need for an alternative approach to endoscopic ultrasound sensing and proposes a electronic-photonic array system based on micro-ring resonator (MRR) sensors as a promising candidate. Subsequently, the operating principle of MRR ultrasound sensing is presented, accompanied by theoretical analysis and finite element model (FEM) simulations of the transduction mechanisms. The developed theory is backed by proof-of-concept experimental results. The initial analysis is followed by the design and fabrication of a first-of-its-kind ultrasound receiver array on a silicon photonic chip with highly sensitive, micro-scale optical MRR sensors in its core. Such a system can be ultra-low power and size, ensuring safe operation inside the human body without sacrificing key system attributes, such as image resolution and system bandwidth. Configured in 2-D beamforming arrays of thousands of elements, these optical sensors, can perform real-time, 3-D imaging and pave the way towards miniaturized optical ultrasonic reception probes with form factors below 5mm3, compliant to modern endoscopic probe specifications. After presenting measurement results of this electronic-photonic system-on-chip (EPSoC) prototype, the thesis discusses architectures that will further enhance the overall system sensitivity through the use of coherent detection and higher quality factor MRRs.

Η απεικόνιση υπερήχου παραμένει ένα απαραίτητο εργαλείο σε πολλαπλούς ιατρικούς τομείς, από την ογκολογία μέχρι την καρδιολογία και από την δερματολογία μέχρι την οφθαλμολογία. Απεικονιστές που χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικούς και μικρομηχανικούς χωρητικούς μετατροπείς αποτελούν εδώ και καιρό την πρότυπη λύση όσον αφορά παραδοσιακά υπερηχογραφήματα κοιλίας, λεκάνης ή μαιευτικής. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιούνται σε ενδοσκοπικές, ενδοφλέβιες ή καθετηριακές εφαρμογές συστήματα που στηρίζονται στους παραδοσιακούς αυτούς μετατροπείς έχουν παρουσιάσει σημαντικά μειονεκτήματα ως προς την κατανάλωση ισχύος και την επιφάνεια που καταλαμβάνουν. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη και την υλοποίηση ενός ηλεκτρονικού-φωτονικού συστήματος λήψης που θα πληροί τις προδιαγραφές ενός μοντέρνου μικροσκοπικού καθετηριακού ενδοσκοπίου. Ξεκινά με μία επισκόπηση υπαρχουσών οπτικών και ηλεκτρικών τεχνολογιών απεικόνισης υπερήχου, η οποία αναδεικνύει την ανάγκη για μια εναλλακτική προσέγγιση στην ενδοσκοπική αίσθηση υπερήχου και προτείνει ένα ηλεκτρονικό-φωτονικό σύστημα συστοιχίας από μικρο-δακτυλιακούς ταλαντωτές (ΜΔΤ) (Eng: micro-ring resonators) ως πολλά υποσχόμενο υποψήφιο. Εν συνεχεία, παρουσιάζει την αρχή λειτουργίας της ανίσχνευσης υπερήχου με ΜΔΤ συνοδευόμενη από θεωρητική ανάλυση και προσομοιώσεις των μηχανισμών μετατροπής με λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων. Η θεωρία που αναπτύσσεται υποστηρίζεται από πειραματικά αποτελέσματα που αποδεικνύουν την αρχή της έννοιας ανίχνευσης υπερήχου μέσω ΜΔΤ. Η αρχική ανάλυση ακολουθήθηκε από σχεδιασμό και κατασκευή μιάς πρώτης-στο-είδος της συστοιχίας δεκτών σε ένα φωτονικό τσιπ πυριτίου (Eng: Silicon Photonic chip) με πολύ ευαίσθητους, μικροσκοπικής κλίμακας οπτικούς ΜΔΤ αισθητήρες στον πυρήνα της. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να είναι εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης και μεγέθους, διασφαλίζοντας ασφαλή λειτουργία εντός του ανθρωπίνου σώματος χωρίς να θυσιάζει βασικά χαρακτηριστικά του συστήματος, όπως η ευκρίνεια και το εύρος ζώνης. Τοποθετημένοι σε μια 2-Δ συστοιχία σχηματισμού δέσμης (Eng: beamforming) από χιλιάδες στοιχεία, αυτοί οι οπτικοί αισθητήρες μπορούν να πραγματοποιήσουν 3-Δ απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο και να ανοίξουν το δρόμο για μικροσκοπικούς οπτικούς καθετήρες λήψης υπερήχου με μεγέθη κάτω από 5mm3 (κυβικά χιλιοστά), που θα υπακούν στις προδιαγραφές μοντέρνων ενδοσκοπικών καθετήρων. Μετά την παρουσίαση αποτελεσμάτων μετρήσεων αυτού του πρωτότυπου ηλεκτρονικού-φωτονικού συστήματος-σε-τσιπ, η διατριβή συζητά αρχιτεκτονικές που θα βελτιώσουν περαιτέρω την συνολική ευαισθησία του συστήματος μέσω της χρήσης ανίχνευσης συνοχής και ΜΔΤ υψηλότερου συντελεστή ποιότητας.