DE102020211441B3 - Lichtwellenleiter für ein Generieren von Ultraschallwellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung, eine Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung, eine Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung und ein zugehöriges Herstellungsverfahren, wobei die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung- ein Substrat aus einem Halbleitermaterial,- eine auf dem Substrat angeordnete Trägerschicht und- zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter aus einem Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex größer als ein Brechungsindex der Trägerschicht aufweist, wobei mindestens eine Längsseite des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters von der Trägerschicht zumindest teilweise umgeben ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter für ein Führen der Lichtstrahlen ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter an einem dem Untersuchungsbereich zugewandten Ende ausgebildet ist für ein Auskoppeln der Lichtstrahlen in den Untersuchungsbereich zum Generieren der Ultraschallwellen im Untersuchungsbereich mittels der ausgekoppelten Lichtstrahlen für eine optoakustische Bildgebung und/oder wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter an dem dem Untersuchungsbereich zugewandten Ende eine optische Absorptionsschicht für ein derartiges Umwandeln der Lichtstrahlen aufweist, dass in den Untersuchungsbereich die generierten Ultraschallwellen für eine Ultraschall-Bildgebung ausgekoppelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung, eine Anordnung einer Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung, eine Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung, eine Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung und ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
  • Ultraschall-Bildgebung mittels einer Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine Visualisierung von einer anatomischen oder morphologischen Körperstruktur eines Patienten. Bei der Ultraschall-Bildgebung werden typischerweise nicht-ionisierende Ultraschallwellen verwendet, um mindestens ein typischerweise mehrdimensionales medizinisches Bild des Patienten erzeugen zu können. Die Ultraschallwellen haben typischerweise eine Frequenz von über 100 kHz.
  • Grundsätzlich weist eine herkömmliche Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung eine Ultraschall-Sender-Vorrichtung oder eine Ultraschall-Empfänger-Vorrichtung auf. Die Ultraschallwellen können von der Ultraschall-Sender-Vorrichtung erzeugt und in einen Untersuchungsbereich hinein gesendet werden. An der Ultraschall-Empfänger-Vorrichtung können die Ultraschallwellen aus dem Untersuchungsbereich detektiert werden. Die Ultraschall-Sender-Vorrichtung kann mehrere Ultraschall-Sender-Elemente für das Erzeugen der Ultraschallwellen aufweisen. Die Ultraschall-Empfänger-Vorrichtung weist typischerweise mehrere Ultraschall-Empfänger-Elemente für das Detektieren der Ultraschallwellen auf. Wenn die herkömmliche Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung die Ultraschall-Sender-Vorrichtung und die Ultraschall-Empfänger-Vorrichtung aufweist, können die Ultraschall-Sender-Vorrichtung und die Ultraschall-Empfänger-Vorrichtung in eine Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung integriert sein. In diesem Fall werden also Ultraschallwellen von der Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung in den Untersuchungsbereich gesendet, dort beispielsweise von einem Untersuchungsobjekt absorbiert und/oder reflektiert, und die reflektierten Ultraschallwellen an der Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung detektiert. Beispielsweise ist eine herkömmliche Ultraschallsonde bzw. ein Ultraschallkopf eine derartige Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung. Es ist denkbar, dass die Ultraschall-Sender-Elemente den Ultraschall-Empfänger-Elementen derart entsprechen, dass diese Ultraschall-Sendeempfänger-Elemente typischerweise abwechselnd die Ultraschallwellen erzeugen und detektieren können.
  • Einige andere Bildgebung-Vorrichtungen, insbesondere ein Magnetresonanztomograph oder ein Computertomograph, haben spezifische Anforderungen an die Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung, wenn die Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung in einem näheren Umfeld der anderen Bildgebung-Vorrichtung betrieben werden soll, zur Gewährleistung einer elektromagnetischen Kompatibilität zwischen den verschiedenen Bildgebung-Vorrichtungen. Insbesondere im näheren Umfeld des Magnetresonanztomographen ist eine betriebene Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung vorzugsweise nicht-ferromagnetisch und/oder insbesondere frei von leitenden Materialien, um ein Induzieren von Wirbelströmen zu vermeiden.
  • Ein Erzeugen und/oder ein Detektieren der Ultraschallwellen kann auf einem piezoelektrischen Effekt basieren, gemäß welchem elektrische Signale in mechanische Schallwellen bzw. mechanische Schallwellen in elektrische Signale umgewandelt werden können. Die mechanischen Schallwellen weisen typischerweise eine derartige Frequenz auf, dass sie als Ultraschallwellen bezeichnet werden können. Alternativ können Ultraschallwellen mittels einer CMUT („capacitive micromachined ultrasonic transducer“) Technologie erzeugt und/oder detektiert werden. Die CMUT-Technologie basiert auf Änderungen in einer elektrischen Kapazität in Abhängigkeit von den mechanischen Schallwellen bzw. Ultraschallwellen. Aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Monitoring of the central blood pressure waveform via a conformal ultrasonic device“, Wang et. al, Nat Biomed Eng. 2018 Sep; 2(9): 687-695, published online 2018 Sep 11., doi: 10.1038/s41551-018-0287-x ist eine tragbare Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung mit typischerweise mehreren konventionellen piezoelektrischen Ultraschall-Sendeempfänger-Elementen und/oder CMUT-Ultraschall-Sendeempfänger-Elementen bekannt, welche vorzugsweise einen flächigen Kontakt mit dem Patienten ermöglichen. Piezoelektrische und/oder CMUT-Ultraschall-Sendeempfänger-Elemente können mit einem Maß unter 100 µm durch die Verwendung von Silizium-Substraten hergestellt werden.
  • Eine Sensitivität der Ultraschall-Sendeempfänger-Elemente hängt üblicherweise von einer Ausdehnung eines aktiven Bereichs des jeweiligen Ultraschall-Sendeempfänger-Elements ab. Die Sensitivität ist typischerweise desto geringer, je kleiner die Ausdehnung ist. Charakteristisch für ein Ultraschall-Sendeempfänger-Element ist u.a. eine zentrale Frequenz und Detektionsbandbreite. Die zentrale Frequenz ist typischerweise definiert als diejenige Frequenzkomponente mit der höchsten Sensitivität bzw. die Spitzenfrequenz. Die zentrale Frequenz kann alternativ auch Mittenfrequenz genannt werden. Die Detektionsbandbreite ist typischerweise definiert als das Frequenzband im Spektrum zwischen der unteren und oberen Detektionsfrequenz mit einer Amplitude von -6dB. Allgemein gilt, dass eine Auflösung eines herkömmlichen Ultraschall-Sendeempfänger-Elements typischerweise desto besser ist, je höher die obere -6dB Detektionsfrequenz ist. Weiterhin wird allgemein angenommen, dass desto mehr Strukturen aufgelöst werden können, je breiter die Detektionsbandbreite ist. Piezoelektrische Ultraschall-Sendeempfänger-Elemente und/oder CMUT-Ultraschall-Sendeempfänger-Elemente weisen typischerweise vergleichsweise geringe zentrale Frequenzen von unter 100 MHz, regelmäßig sogar unter 50 MHz mit eingeschränkter Detektionsbandbreite von ungefähr 50 - 80% auf. Die piezoelektrische Sendeempfänger-Elemente sind typischerweise desto dünner, je höher die Frequenz der Ultraschallwellen ist.
  • Aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Embedded ultrasound sensor in a silicon-on-insulator photonic platform", Rosenthal et al., Appl. Phys. Lett. 104, 021116 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4860983 ist beispielsweise eine Ultraschall-Empfänger-Vorrichtung umfassend ein Silizium-Substrat und einen Lichtwellenleiter mit einem n-phasenverschobenen Bragg-Gitter bekannt, wobei Ultraschallwellen mittels Laserstrahlen-Puls-Interferometrie detektiert werden. Eine Leistungsfähigkeit dieser Silizium-Ultraschall-Empfänger-Vorrichtung ist beispielsweise in der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Sub-micron silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection“, Shnaiderman et al., arXiv preprint arXiv:1902.04115, 2019, beschrieben, wobei in diesem Fall die Ultraschallwellen von dem Untersuchungsobjekt selbst gemäß dem optoakustischen Effekt durch Anregung mit von einem separaten externen Laser bereitgestellten Laserstrahlen erzeugt werden. Die gemäß dem optoakustischen Effekt erzeugten Ultraschallwellen können insbesondere mittels der im Lichtwellenleiter erfolgten Laserstrahlen-Puls-Interferometrie detektiert werden, wonach eine derartige Bildgebung im Wesentlichen optische Verfahren verwendet. Eine derartige optoakustische Bildgebung ermöglicht ein im Vergleich zu herkömmlichen piezoelektrischen oder CMUT-Sendeempfänger-Elementen erhöhtes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis und typischerweise eine höhere Detektionsbandbreite, siehe Wissmeyer et al. „Looking at sound: optoacoustics with all-optical ultrasound detection", Light Sci Appl 7, 53 (2018), https://doi.org/10.1038/s41377-018-0036-7. Ein weiterer Vorteil ist üblicherweise, dass die zuvor beschriebene Silizium-Ultraschall-Empfänger-Vorrichtung typischerweise keine elektrische Verkabelung benötigt, wodurch vorteilhafterweise keine elektromagnetischen Störfelder erzeugt werden.
  • Rebling et al. beschäftigen sich in „Integrated catheter for simultaneous radio frequency ablation and optoacoustic monitoring of lesion progression", Optics Letters, Band 43, 2018, Heft 8, S. 1886 bis 1889, mit einer Echtzeit-Überwachung einer Radio-Frequenz-Ablation mittels eines optoakustischen Verfahrens. Taruttis et al., „Optoacoustic Imaging of Human Vasculature: Feasibility by Using a Handheld Probe", Radiology, Band 281, 2016, Heft 1, S. 256 bis 263, offenbaren eine multispektrale, optoakustische Tomographie. Lan et al. beschreiben die Kombination von Optoakustik mit Augmented Reality, siehe „A fiber optoacoustic guide with augmented reality for precision breast-conserving surgery", Light: Science & Applications, (2018), 7:2, S. 1 bis 11. WO 2019 / 170 884 A1 offenbart einen Wellenleiter-basierten Sensor, wobei der Wellenleiter ein Bragg-Gitter aufweist.
  • Eine herkömmliche piezoelektrische Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung oder CMUT-Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung weist allerdings typischerweise eine elektrische Verkabelung auf und kann somit eine solche Vorrichtung sein, welche die Kompatibilität mit der anderen Bildgebung-Vorrichtung üblicherweise nicht oder nicht uneingeschränkt aufweist. Das Betreiben einer herkömmlichen Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung im näheren Umfeld des Magnetresonanztomographen kann demnach eine Bildgebung im Magnetresonanztomographen negativ beeinflussen. Insbesondere kann eine hohe Sensitivität des Magnetresonanztomographen aufgrund von Puls- bzw. Echo-Ultraschallwellen der herkömmlichen Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung degradiert werden, weshalb typischerweise eine dedizierte Abschirmung zwischen den beiden Vorrichtungen nötig ist. Dementsprechend ist ein Betreiben einer herkömmlichen (piezoelektrischen oder CMUT-) Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung mit einer solchen elektrischen Verkabelung im näheren Umfeld der anderen Bildgebung-Vorrichtung regelmäßig nicht möglich. Eine vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT vorgestellte Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung weist eine zum Magnetresonanztomographen kompatible Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung auf (https://www.ibmt.fraunhofer.de/de/ibmt-presse-uebersicht-2019/presse-KoMBUS-2019-11-01.html, abgerufen am 10.08.2020).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung, eine Anordnung einer Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung, eine Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung, eine Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung und ein zugehöriges Herstellungsverfahren mit einer geringen Bauform und einer geringen elektromagnetischen Störanfälligkeit anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Eine Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung für eine Bildgebung eines Untersuchungsbereichs mittels durch Lichtstrahlen generierter Ultraschallwellen weist
    • - ein Substrat aus einem Halbleitermaterial,
    • - eine auf dem Substrat angeordnete Trägerschicht und
    • - zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter aus einem Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex größer als ein Brechungsindex der Trägerschicht auf, wobei mindestens eine Längsseite des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters von der Trägerschicht zumindest teilweise umgeben ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter für ein Führen der Lichtstrahlen ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter an einem dem Untersuchungsbereich zugewandten Ende ausgebildet ist für ein Auskoppeln der Lichtstrahlen in den Untersuchungsbereich zum Generieren der Ultraschallwellen im Untersuchungsbereich mittels der ausgekoppelten Lichtstrahlen für eine optoakustische Bildgebung und/oder wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter an dem dem Untersuchungsbereich zugewandten Ende eine optische Absorptionsschicht für ein derartiges Umwandeln der Lichtstrahlen aufweist, dass in den Untersuchungsbereich die generierten Ultraschallwellen für eine Ultraschall-Bildgebung ausgekoppelt werden.
  • Der Aufbau der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung mit dem Substrat, der Trägerschicht und dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter weist vorteilhafterweise eine im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschallsonden geringe Bauform auf. Die geringe Bauform wird insbesondere dadurch erreicht, dass über die vergangenen Jahre hinweg kontinuierlich Weiterentwicklungen im Bereich der Halbleiter-Fertigung beobachtet werden. Diese Weiterentwicklungen führten insbesondere zu einer Miniaturisierung der gefertigten Halbleiter-Strukturen und ermöglichen vorteilhafterweise die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung mit der geringen Bauform. Der Aufbau der Lichtwellenleiter-Sendervorrichtung mit dem Halbleiter ermöglicht vorzugsweise eine kostengünstigste Integration in eine Bildgebung-Vorrichtung, da auf die herkömmliche, insbesondere Metall-Oxid basierte, Halbleiter-Fertigung zurückgegriffen werden kann, wodurch vorzugsweise weit verbreitete Fertigungsmöglichkeiten bestehen und/oder eine Kombination mit weiteren Halbleiter-Strukturen, wie beispielsweise einer CMUT-Struktur, einfach möglich ist.
  • Der zumindest eine Lichtwellenleiter kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt im oder unter dem Mikrometerbereich aufweisen. Beispielsweise ist der rechteckige Querschnitt des zumindest einen Lichtwellenleiters kleiner 100 µm × 50 µm, vorteilhafterweise kleiner 10 µm × 5 µm, besonders vorteilhafterweise kleiner 1 µm × 0,5 µm. Der zumindest eine Lichtwellenleiter kann im Sinne der Erfindung ein „singlemode“-Lichtwellenleiter und/oder ein „multi-mode“-Lichtwellenleiter sein. Durch die Dimensionierung des rechteckigen Querschnitts des Lichtwellenleiters wird insbesondere eine Intensitätsverteilung des Lichtes im Lichtwellenleiter bestimmt. Der „single-mode“-Lichtwellenleiter weist typischerweise einen rechteckigen Querschnitt auf, welcher kleiner ist als ein rechteckiger Querschnitt des „multi-mode“-Lichtwellenleiters. Bei dem „single-mode“-Lichtwellenleiter wird typischerweise nur eine Mode geführt und die Lichtverteilung ist im „single-mode“-Lichtwellenleiter beispielsweise gaußförmig verteilt. Wird der rechteckige Querschnitt des Lichtwellenleiters vergrößert, so können sich üblicherweise höhere Moden ausbreiten. Typischerweise kann dadurch mehr Licht transportiert werden, aber die Intensitätsverteilung ist weniger definiert. Die Lichtstrahlen können kontinuierlich oder gepulst in dem zumindest einen Lichtwellenleiter geführt werden. Das Führen der Lichtstrahlen umfasst ein Transportieren der Lichtstrahlen im Lichtwellenleiter.
  • Technologisch betrachtet ist die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung einer Photonik zuordenbar. Die beschriebene Halbleiter-Photonik weist insbesondere Vorteile im Hinblick auf eine hohe Integrationsdichte und/oder eine monolithische Integration auf. Die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung weist einen für die Photonik vorteilhaften hohen Brechungsindex-Unterschied zwischen dem Material des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters und dem Material der Trägerschicht auf. Dadurch ist vorteilhafterweise eine Beschränkung und ein enges Führen der Lichtstrahlen in dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter mit der geringen Bauform im oder unter dem Mikrometerbereich möglich.
  • Vorteilhafterweise weist die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung keine elektrische Verkabelung auf, wodurch vorteilhafterweise keine elektromagnetischen Störfelder erzeugt oder eingekoppelt werden. Die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung ist vorzugsweise eine rein optische („all optical“) Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung. Eine Anordnung der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung in einem näheren Umfeld eines Magnetresonanztomographen, beispielsweise im Hauptmagnetfeld des Magnetresonanztomographen oder innerhalb einer Bohrung des Magnetresonanztomographen, ist daher vorteilhafterweise unter Gewährleistung der elektromagnetischen Kompatibilität möglich. Ein weiterer Vorteil kann sein, dass die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung in einem Röntgenstrahlengang einer Röntgeneinrichtung angeordnet sein kann, ohne dass eine elektrische Verkabelung Röntgenstrahlung absorbiert. Eine erfindungsgemäße Variante der Erfindung betrifft die Anordnung der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung in dem Hauptmagnetfeld des Magnetresonanztomographen oder in dem Röntgenstrahlengang der Röntgeneinrichtung.
  • Das Substrat ist insbesondere eine Substratschicht, auf welcher die Trägerschicht angeordnet ist. Die Trägerschicht ist insbesondere zwischen dem Substrat und dem zumindest einen Lichtwellenleiter angeordnet. Die Trägerschicht ist insbesondere eine isolierende Schicht, welche den zumindest einen Lichtwellenleiter von dem Substrat trennt. Die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung verwendet somit eine sogenannte herkömmliche „Halbleiter auf einem Isolator“-Plattform. Die Trägerschicht weist insbesondere Siliziumdioxid auf oder besteht aus Siliziumdioxid.
  • Das Halbleitermaterial weist insbesondere Silizium, Germanium, Gallium, Phosphor, Ti:LiNbO3 und/oder Antimon auf. Ti:LiNbO3 ist ein Material speziell für Lichtwellenleiter, wobei Titanium in LiNbO3 diffundiert wird. Vorteilhafterweise besteht das Halbleitermaterial aus Silizium, Germanium, Gallium, Phosphor, Ti:LiNbO3 und/oder Antimon. Das Halbleitermaterial des Substrats kann dem Halbleitermaterial des zumindest einen Lichtwellenleiters entsprechen.
  • Die Bildgebung ist insbesondere eine medizinische Bildgebung. Im Untersuchungsbereich ist typischerweise ein Patient. Zwischen dem Patienten und der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung ist typischerweise ein möglichst gasfreies Medium vorgesehen, beispielsweise ein Ultraschallgel auf Wasserbasis, für ein reflexionsfreies Führen der Ultraschallwellen zwischen dem Patienten und dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter.
  • Der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter besteht insbesondere aus dem Halbleitermaterial mit dem Brechungsindex größer als der Brechungsindex der Trägerschicht. Der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter kann die Lichtstrahlen insbesondere deshalb führen, weil die mindestens eine Längsseite des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters von der Trägerschicht zumindest teilweise umgeben ist. In anderen Worten wirken die Trägerschicht und das Halbleitermaterial des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters derart zusammen, dass sich Lichtstrahlen in dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter vorzugsweise nahezu verlustfrei ausbreiten können. Die mindestens eine Längsseite ist typischerweise parallel zur optischen Achse des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters. Die optische Achse entspricht typischerweise einer Propagationsrichtung der Lichtstrahlen in einem Lichtwellenleiter. Die mindestens eine Längsseite ist derart von der Trägerschicht umgeben, dass die Trägerschicht in einem Kontaktbereich die mindestens eine Längsseite berührt, insbesondere an die mindestens eine Längsseite angrenzt. Die mindestens eine Längsseite des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters kann in die Trägerschicht zumindest teilweise eingebettet sein. Das zumindest teilweise Umgeben bzw. Einbetten bedeutet insbesondere, dass insbesondere ein Längenabschnitt der Längsseite des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters die Trägerschicht berührt oder an sie angrenzt. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die mindestens eine Längsseite über die gesamte Länge von der Trägerschicht umgeben ist. Typischerweise ist über eine vergleichbare Länge der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter zusätzlich zur Trägerschicht vom Substrat umgeben.
  • Die optoakustische Bildgebung beschreibt insbesondere diejenige Variante der erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung, wobei die Lichtstrahlen aus dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter ausgekoppelt werden und die ausgekoppelten Lichtstrahlen im Untersuchungsbereich insbesondere mit dem Patienten derart wechselwirken, dass gemäß dem optoakustischen Effekt Ultraschallwellen generiert werden. In anderen Worten werden insbesondere Lichtstrahlen in den Untersuchungsbereich ausgekoppelt oder gesendet. Das dem Untersuchungsbereich zugewandte Ende des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters ist insbesondere für das Auskoppeln der Lichtstrahlen transparent.
  • Die Ultraschall-Bildgebung beschreibt insbesondere diejenige Variante der erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung, wobei die Lichtstrahlen in der optischen Absorptionsschicht durch eine Wechselwirkung gewandelt werden, so dass Ultraschwallwellen generiert werden, welche in den Untersuchungsbereich ausgekoppelt werden, wobei diese Ultraschallwellen im Untersuchungsbereich mit dem Patienten derart wechselwirken, dass Ultraschallwellen von dem Patienten reflektiert werden. In anderen Worten werden insbesondere Ultraschallwellen in den Untersuchungsbereich ausgekoppelt oder gesendet. Die optische Absorptionsschicht kann insbesondere ein Metall, beispielsweise Gold, aufweisen.
  • Die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung kann insbesondere mehrere Sender-Lichtwellenleiter in einer Anzahl N = 2x mit x > 0 aufweisen, welche alle für die optoakustische Bildgebung oder alle für die Ultraschall-Bildgebung oder teils für die optoakustische Bildgebung und teils für die Ultraschall-Bildgebung ausgebildet sind. Die mehreren Lichtwellenleiter können grundsätzlich die Lichtstrahlen gleichzeitig führen, insbesondere wenn eine Wellenlänge der Lichtstrahlen sich in den Lichtwellenleitern unterscheidet. In diesem Fall werden die Lichtstrahlen mittels eines Filters und/oder eines spektralen Photodetektors separiert und/oder erfasst. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung sieht vor, dass der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter für die optoakustische Bildgebung des Untersuchungsbereichs ausgebildet ist und ein weiterer Sender-Lichtwellenleiter der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung für die Ultraschall-Bildgebung ausgebildet ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil eine Kombination der optoakustischen Bildgebung mit der Ultraschall-Bildgebung ermöglicht wird, welche sich beispielsweise in einer Frequenz und/oder Bandbreite der generierten Ultraschallwellen unterscheiden können und die Vorteile beider Bildgebungsarten in einer Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung mit einer geringen Bauform aufweist.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung einen Multiplexer aufweist für ein Multiplexen der im zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter geführten Lichtstrahlen. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung die mehreren Sender-Lichtwellenleiter aufweist. In diesem Fall können die Lichtstrahlen der mehreren Sender-Lichtwellenleiter in einer Anzahl an Fasern, welche geringer ist als die Anzahl der mehreren Sender-Lichtwellenleiter, geführt werden. Der Multiplexer verbindet typischerweise die mehreren Sender-Lichtwellenleiter mit der zumindest einen Faser.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Lichtstrahlen Laserstrahlen, insbesondere mit einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 2000 nm, sind. Beispielsweise weisen die Laserstrahlen eine Wellenlänge zwischen 600 nm und 1000 nm für die optoakustische Bildgebung und/oder vorzugsweise zwischen 1300 nm und 1600 nm für die Ultraschall-Bildgebung auf.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Trägerschicht die Längsseiten des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters zumindest abschnittsweise umgibt. In diesem Fall ist insbesondere der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter wenigstens an einem Längsabschnitt vollständig von der Trägerschicht umgeben.
  • Die erfindungsgemäße Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung weist die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung und einen Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter für ein Empfangen von im Untersuchungsbereich reflektierten Ultraschallwellen auf, wobei mindestens eine Längsseite des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters von der Trägerschicht der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung zumindest teilweise umgeben ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil eine Integration des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters und des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters auf der Trägerschicht, insbesondere auf der „Halbleitermaterial auf einem Isolator“-Plattform ermöglicht wird.
  • Der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter kann insbesondere gemäß der wissenschaftlichen Veröffentlichung von Shnaiderman et al. aufgebaut sein. In dieser Ausführungsform weist der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter eine metallische Reflexionsschicht, ein erstes Bragg-Gitter mit einer Gitterperiode, ein zweites Bragg-Gitter mit der Gitterperiode und einen diskontinuierlichen Abschnitt zwischen dem ersten Bragg-Gitter und dem zweiten Bragg-Gitter auf. Die Gitterperiode bezieht sich insbesondere auf die in den Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter eingebrachten regelmäßigen Korrugationen, um das erste Bragg-Gitter und das zweite Bragg-Gitter zu bilden. Die Gitterperiode des ersten Bragg-Gitters und des zweiten Bragg-Gitters wird insbesondere im diskontinuierlichen Abschnitt unterbrochen. Die metallische Reflexionsschicht und das erste Bragg-Gitter bilden gemeinsam insbesondere einen ersten optischen Spiegel und das zweite Bragg-Gitter einen zweiten optischen Spiegel. Die metallische Reflexionsschicht weist insbesondere Gold auf.
  • Beispielsweise kann entlang einer optischen Achse des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters eine Ausdehnung der metallischen Reflexionsschicht 100nm, eine Ausdehnung des ersten Bragg-Gitters 20µm und eine Ausdehnung des zweiten Bragg-Gitters 125µm betragen. Beispielsweise kann ein erstes Ende des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters soweit abgeschliffen werden, dass die Ausdehnung des ersten Bragg-Gitters gleich oder kleiner ist als die Gitterperiode des zweiten Bragg-Gitters. Das abgeschliffene Ende wird insbesondere mit der metallischen Reflexionsschicht abgeschlossen. Typischerweise ist das erste Bragg-Gitter möglichst kurz, so dass der diskontinuierliche Abschnitt der metallischen Reflexionsschicht so nah wie möglich ist, ohne den diskontinuierlichen Abschnitt bei der Fertigung zu beschädigen. Dadurch ist vorteilhafterweise eine Sensitivität des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters erhöht. Die Ausdehnung des ersten Bragg-Gitters und die Ausdehnung des zweiten Bragg-Gitters unterscheiden sich typischerweise. Die Ausdehnung des ersten Bragg-Gitters ist insbesondere kürzer als die Ausdehnung des zweiten Bragg-Gitters. Die Ausdehnung des diskontinuierlichen Abschnitts ist typischerweise verschieden im Vergleich zur halben Gitterperiode, insbesondere kürzer als die halbe Gitterperiode. Die zuvor beschrieben Ausdehnungen hängen insbesondere von einer Wellenlänge und/oder einer Bandbreite der Lichtstrahlen ab und können somit variieren. In diesem Fall ist insbesondere das erste Ende des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters auf den Untersuchungsbereich ausgerichtet.
  • Im Untersuchungsbereich reflektierte Ultraschallwellen, welche auf die metallische Reflexionsschicht auftreffen, verschieben insbesondere eine Wellenlänge und/oder eine Intensität von weiteren im Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter geführten Lichtstrahlen. Diese modifizierten Lichtstrahlen können in einem Photodetektor einer Steuereinrichtung detektiert und zu einem Bild rekonstruiert werden.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung ein Abschirmelement aufweist, welches in einem Bereich zwischen dem dem Untersuchungsbereich zugewandten Ende des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters und einem dem Untersuchungsbereich zugewandten Ende des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters angeordnet ist. Das Abschirmelement ist insbesondere ein Kollimator, ein Gitter oder eine Gradient-Index-Linse. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil einzukoppelnde oder ausgekoppelte Ultraschallwellen zwischen den verschiedenen Lichtwellenleitern separiert werden können.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung einen dritten Lichtwellenleiter aufweist, welcher als weiterer Sender-Lichtwellenleiter ausgebildet ist, wobei der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter zwischen dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter und dem dritten Lichtwellenleiter angeordnet ist, oder wobei der dritte Lichtwellenleiter als weiterer Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter zwischen dem Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter und dem dritten Lichtwellenleiter angeordnet ist. Der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter, der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter und der dritte Lichtwellenleiter sind vorzugsweise alternierend, beispielsweise derart angeordnet, dass jeweils zwischen zwei Sender-Lichtwellenleitern ein Empfänger-Lichtwellenleiter oder jeweils zwischen zwei Empfänger-Lichtwellenleitern ein Sender-Lichtwellenleiter ist. Dadurch kann eine Ortsauflösung der Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung verbessert sein.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung einen zusätzlichen Lichtwellenleiter aufweist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter, der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter und der zusätzliche Lichtwellenleiter gegenüber dem Untersuchungsbereich zweidimensional angeordnet sind. Der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter, der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter und der zusätzliche Lichtwellenleiter sind vorzugsweise rasterförmig angeordnet. In Kombination mit der vorherigen Ausführungsform können die Lichtwellenleiter insbesondere schachbrettmusterartig angeordnet sein. Diese Ausführungsform ermöglicht insbesondere eine flächige Bildgebung, wodurch die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung typischerweise weniger bewegt werden muss.
  • Eine erfindungsgemäße Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung weist die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung oder die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung, eine Steuervorrichtung und eine Lichtquellenvorrichtung auf, wobei die Lichtquellenvorrichtung mittels zumindest einer Faser mit dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter verbunden ist und wobei die Steuervorrichtung zu einem derartigen Ansteuern der Lichtquellenvorrichtung ausgebildet ist, dass der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter im Betrieb die Lichtstrahlen führt. Die Lichtquellenvorrichtung kann eine LED sein oder einen Laser umfassen. Die zumindest eine Faser kann eine Glasfaser sein. Die zumindest eine Faser ist beispielweise an einem zweiten Ende des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters, welches Ende dem dem Untersuchungsbereich zugewandten Ende gegenüberliegt, angeschlossen, beispielsweise mittels einer Schnittstelle, insbesondere mittels eines optischen Kopplers, und/oder mittels des Multiplexer.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung umfasst folgende Schritte, wobei ein Substrat aus einem Halbleitermaterial bereitgestellt wird, eine Trägerschicht auf dem Substrat angeordnet wird und zumindest ein Sender-Lichtwellenleiter derart auf die Trägerschicht aufgebracht wird, dass mindestens eine Längsseite des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters zumindest teilweise von der Trägerschicht umgeben ist. Beim Herstellungsverfahren wird beispielsweise ein Wafer mittels ultravioletter Strahlung oder e-beam Lithographie derart bearbeitet, dass der zumindest eine Lichtwellenleiter die Lichtstrahlen in der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung führen kann.
  • Bei der Beschreibung der Vorrichtung erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können Ansprüche auf das Verfahren mit Merkmalen der Vorrichtung weitergebildet sein und umgekehrt. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in dem Verfahren verwendet werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Grundsätzlich werden in der folgenden Figurenbeschreibung im Wesentlichen gleich bleibende Strukturen und Einheiten mit demselben Bezugszeichen wie beim erstmaligen Auftreten der jeweiligen Struktur oder Einheit benannt.
  • Es zeigen:
    • 1 bis 4 verschiedene Ausführungen eines Querschnitts der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10,
    • 5 die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 in einer Ausführung für die optoakustische Bildgebung,
    • 6 die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 in einer Ausführung für die Ultraschall-Bildgebung,
    • 7 die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 in einer Ausführung für die optoakustische Bildgebung und die Ultraschall-Bildgebung,
    • 8 eine Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung 20 und
    • 9 eine Anordnung mehrerer Lichtwellenleiter und
    • 10 eine Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung 30.
  • 1 zeigt die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 mit einem ersten Querschnitt senkrecht zu einer optischen Achse der Lichtstrahlen. Die optische Achse ist in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur z-Achse.
  • Die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 für eine Bildgebung eines Untersuchungsbereichs U mittels durch Lichtstrahlen generierter Ultraschallwellen weist ein Substrat 11 aus einem Halbleitermaterial, eine auf dem Substrat 11 angeordnete Trägerschicht 12 und zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter 13 aus einem Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex größer als ein Brechungsindex der Trägerschicht 12 auf. Eine Längsseite 13.L1 des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters 13 ist von der Trägerschicht 12 zumindest teilweise umgeben.
  • Der Sender-Lichtwellenleiter 13 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen pyramidenförmigen oder mehrstufigen Querschnitt auf und ist für ein Führen der Lichtstrahlen ausgebildet.
  • Der Sender-Lichtwellenleiter 13 ist an einem dem Untersuchungsbereich U zugewandten Ende 13.E ausgebildet für ein Auskoppeln der Lichtstrahlen in den Untersuchungsbereich U zum Generieren der Ultraschallwellen im Untersuchungsbereich U mittels der ausgekoppelten Lichtstrahlen für eine optoakustische Bildgebung.
  • Alternativ kann der Sender-Lichtwellenleiter 13 an dem dem Untersuchungsbereich zugewandten Ende 13.E eine nicht in 1 gezeigte optische Absorptionsschicht 14 für ein derartiges Umwandeln der Lichtstrahlen aufweisen, dass in den Untersuchungsbereich U die generierten Ultraschallwellen für eine Ultraschall-Bildgebung ausgekoppelt werden.
  • 2 zeigt die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 mit einem zweiten Querschnitt senkrecht zu der optischen Achse der Lichtstrahlen.
  • In dieser Ausführungsform weist der Sender-Lichtwellenleiter 13 einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Längsseite 13.L1 des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters 13 von der Trägerschicht 12 zumindest teilweise umgeben ist.
  • 3 zeigt die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 mit einem dritten Querschnitt senkrecht zu der optischen Achse der Lichtstrahlen.
  • In dieser Ausführungsform weist der Sender-Lichtwellenleiter 13 einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Längsseiten 13.L1, 13.L2, 13.L3 des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters 13 von der Trägerschicht 12 zumindest teilweise umgeben sind.
  • 4 zeigt die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 mit einem dritten Querschnitt senkrecht zu der optischen Achse der Lichtstrahlen.
  • In dieser Ausführungsform weist der Sender-Lichtwellenleiter 13 einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Längsseiten 13.L1, 13.L2, 13.L3, 13.L4 des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters 13 von der Trägerschicht 12 zumindest teilweise umgeben sind.
  • Die in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im Wesentlichen im Querschnitt des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters 13 und/oder einer Anzahl an Längsseiten 13.L1, 13.L2, 13.L3, 13.L4, welche von der Trägerschicht zumindest teilweise umgeben sind.
  • Weiterhin können wahlweise die Lichtstrahlen Laserstrahlen sein. Das Halbleitermaterial weist Silizium, Germanium, Gallium, Phosphor, Ti:LiNbO3 und/oder Antimon auf.
  • 5 zeigt die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 in einer Ausführung für die optoakustische Bildgebung in einer perspektivischen Ansicht. Die Ausführung der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 umfasst drei Längsseiten 13.L1, 13.L2, 13.L3, welche von der Trägerschicht 12 umgeben sind. Der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter 13 ist im Wesentlichen in die Trägerschicht 12 eingebettet. Ein dem Untersuchungsbereich U zugewandtes Ende 13.E ist für ein Auskoppeln der Lichtstrahlen in den Untersuchungsbereich U zum Generieren der Ultraschallwellen im Untersuchungsbereich U mittels der ausgekoppelten Lichtstrahlen ausgebildet.
  • 6 zeigt die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 in einer Ausführung für die Ultraschall-Bildgebung in einer Seitenansicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 6 nur der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter 13 und die optische Absorptionsschicht 14 in einem Schnitt entlang der optischen Achse dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 6 unterscheidet sich in diesem Fall im Wesentlichen in der optischen Absorptionsschicht 14 von dem Ausführungsbeispiel in 5. Zusätzlich können sich eine Wellenlänge und/oder Bandbreite der Lichtstrahlen unterscheiden.
  • Der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter 13 weist an dem dem Untersuchungsbereich U zugewandten Ende 13.E die optische Absorptionsschicht 14 für ein derartiges Umwandeln der Lichtstrahlen auf, dass in den Untersuchungsbereich U die generierten Ultraschallwellen für eine Ultraschall-Bildgebung ausgekoppelt werden. Durch das vorzugsweise lückenlose Anfügen der optischen Absorptionsschicht 14 an das Ende 13.E kann die in 5 gezeigte Ausführungsform für die optoakustische Bildgebung grundsätzlich zur Ausführungsform für die Ultraschall-Bildgebung gemäß 6 weitergebildet werden.
  • 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 in einer perspektivischen Ansicht.
  • Der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter 13 ist für die optoakustische Bildgebung des Untersuchungsbereichs U ausgebildet. Ein weiterer Sender-Lichtwellenleiter 15 der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 ist für die Ultraschall-Bildgebung ausgebildet und weist dafür an einem Ende 15.E des weiteren Sender-Lichtwellenleiters 15 die optische Absorptionsschicht 14 auf. Eine in 7 entlang der optischen Achse des weiteren Sender-Lichtwellenleiters 15 dargestellte Lücke zwischen der optischen Absorptionsschicht 14 und dem weiteren Sender-Lichtwellenleiter dient lediglich einer besseren Übersichtlichkeit. Vorzugsweise grenzt die optische Absorptionsschicht 14 unmittelbar an den weiteren Sender-Lichtwellenleiter 15 an.
  • Grundsätzlich ist denkbar, dass beide Sender-Lichtwellenleiter 13, 15 für die optoakustische Bildgebung oder die Ultraschall-Bildgebung ausgebildet sind.
  • An den beiden nicht gezeigten Enden der Sender-Lichtwellenleiter 13, 15 kann ein nicht gezeigter Multiplexer für ein Multiplexen der im zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter 13, 15 geführten Lichtstrahlen und/oder ein optischer Koppler angeordnet sein, um die Lichtwellenleiter 13, 15 mit einer Lichtquellenvorrichtung zu verbinden.
  • 8 zeigt eine Draufsicht auf eine Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung 20 für eine optoakustische Bildgebung.
  • Die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung 20 weist eine Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 und einen Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 auf. Der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 ist für ein Empfangen von im Untersuchungsbereich U reflektierten Ultraschallwellen ausgebildet. Mindestens eine Längsseite des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters 21 ist von der Trägerschicht 12 der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 zumindest teilweise umgeben. Der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 weist eine metallische Reflexionsschicht 21.R, ein erstes Bragg-Gitter 21.G1 mit einer Gitterperiode, ein zweites Bragg-Gitter 21.G2 mit der Gitterperiode und einen diskontinuierlichen Abschnitt 21.D zwischen dem ersten Bragg-Gitter 21.G1 und dem zweiten Bragg-Gitter 21.G2 auf.
  • Die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung 20 weist zusätzlich in diesem Ausführungsbeispiel ein optionales Abschirmelement 22 auf, welches in einem Bereich zwischen dem dem Untersuchungsbereich U zugewandten Ende 13.E des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters 13 und einem dem Untersuchungsbereich U zugewandten Ende 21.E des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters 21 angeordnet ist. Das Abschirmelement 22 ist insbesondere vorteilhaft, falls in einer Weiterbildung von 8 die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung 20 für eine Ultraschall-Bildgebung ausgebildet ist.
  • 9 zeigt eine insbesondere schachbrettmusterartige Anordnung mehrerer Lichtwellenleiter 13, 21, 23, 24. 9 zeigt eine Stirnseite der mehreren Lichtwellenleiter 13, 21, 23, 24 ausgehend vom Untersuchungsbereich U.
  • Diese Ausführungsbeispiel illustriert eine Ausführungsform, wobei die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung 20 einen zusätzlichen Lichtwellenleiter 24 aufweist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter 13, der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 und der zusätzliche Lichtwellenleiter 24 gegenüber dem Untersuchungsbereich U zweidimensional angeordnet sind und somit nicht auf einer Linie liegen.
  • Zusätzlich zeigt dieses Ausführungsbeispiel, dass die Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung 20 einen dritten Lichtwellenleiter 24 aufweist, welcher als weiterer Sender-Lichtwellenleiter ausgebildet ist und in diesem Ausführungsbeispiel dem zusätzlichen Lichtwellenleiter 24 entspricht, wobei der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 zwischen dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter 13 und dem dritten Lichtwellenleiter 24 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist gezeigt, dass die alternierende Anordnung „zwischen“ auch eine Variante in Dreiecksform umfasst zusätzlich zu der Variante entlang einer Richtung.
  • Weiterhin zeigt dieses Ausführungsbeispiel, dass der dritte Lichtwellenleiter 23 als weiterer Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter 13 zwischen dem Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 und dem dritten Lichtwellenleiter 23 angeordnet ist.
  • Alternativ zur schachbrettmusterartigen Anordnung in 9 können die mehreren Lichtwellenleiter 13, 21, 23, 24 linear nach Sender oder Empfänger separiert übereinander gestapelt sein.
  • 10 zeigt eine Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung 30. Die Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung 30 weist die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10, eine Steuervorrichtung 31 und eine Lichtquellenvorrichtung 32 auf. Die Lichtquellenvorrichtung 32 ist mittels zumindest einer Faser 33 mit dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter 13 verbunden. Die Steuervorrichtung 31 ist zu einem derartigen Ansteuern der Lichtquellenvorrichtung 32 ausgebildet, dass der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter 13 im Betrieb die Lichtstrahlen führt.
  • Die Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung 30 mit der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung 10 ist in einem Röntgenstrahlengang 34 einer Röntgeneinrichtung angeordnet. Der Röntgenstrahlengang 34 befindet sich zwischen einer Röntgenröhre und einem Röntgendetektor und umfasst zumindest teilweise den Untersuchungsbereich U. Die Röntgeneinrichtung kann eine Mammographie-Einrichtung oder eine Computertomographie-Einrichtung sein. Alternativ kann die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung in einem Hauptmagnetfeld eines Magnetresonanztomographen angeordnet sein.
  • Die Lichtstrahlen werden mittels der zumindest einen Faser 33 von der Lichtquellenvorrichtung 32 in den zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter 13 eingekoppelt. Falls die Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung 30 in einer Weiterbildung den Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 aufweist, ist die Steuervorrichtung 31 vorzugsweise dazu ausgebildet, weitere Lichtstrahlen mittels der zumindest einen Faser 33 von der Lichtquellenvorrichtung 32 in den Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 einzukoppeln. Zusätzlich ist die Steuereinrichtung 31 vorzugsweise dazu ausgebildet, aus der zumindest einen Faser 33 in dem Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter 21 in Abhängigkeit von den aus dem Untersuchungsbereich U reflektierten Ultraschallwellen empfangene phasenverschobene Lichtstrahlen auszukoppeln und zu einem Bild zu rekonstruieren.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Lichtquellenvorrichtung 32 einen Laser auf, so dass die Lichtstrahlen Laserstrahlen sind.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung dennoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (14)

  1. Anordnung einer Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung (10) in einem Hauptmagnetfeld eines Magnetresonanztomographen oder in einem Röntgenstrahlengang (34) einer Röntgeneinrichtung, wobei die Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung (10) für eine Bildgebung eines Untersuchungsbereichs (U) mittels durch Lichtstrahlen generierter Ultraschallwellen ausgebildet ist und - ein Substrat (11) aus einem Halbleitermaterial, - eine auf dem Substrat (11) angeordnete Trägerschicht (12) und - zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) aus einem Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex größer als ein Brechungsindex der Trägerschicht (12) aufweist, wobei mindestens eine Längsseite (13.L1, 13.L2, 13.L3, 13.L4) des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters (13, 15) von der Trägerschicht (12) zumindest teilweise umgeben ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) für ein Führen der Lichtstrahlen ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) an einem dem Untersuchungsbereich (U) zugewandten Ende (13.E, 15.E) ausgebildet ist für ein Auskoppeln der Lichtstrahlen in den Untersuchungsbereich (U) zum Generieren der Ultraschallwellen im Untersuchungsbereich (U) mittels der ausgekoppelten Lichtstrahlen für eine optoakustische Bildgebung oder wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) an dem dem Untersuchungsbereich (U) zugewandten Ende (13.E, 15.E) eine optische Absorptionsschicht (14) für ein derartiges Umwandeln der Lichtstrahlen aufweist, dass in den Untersuchungsbereich (U) die generierten Ultraschallwellen für eine Ultraschall-Bildgebung ausgekoppelt werden.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Lichtstrahlen Laserstrahlen sind.
  3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial Silizium, Germanium, Gallium, Phosphor, Ti:LiNbO3 und/oder Antimon aufweist.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (12) die Längsseiten (13.L1, 13.L2, 13.L3, 13.L4) des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters (13, 15) zumindest abschnittsweise umgibt.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) einen Multiplexer für ein Multiplexen der im zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) geführten Lichtstrahlen aufweist.
  6. Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung (10) für eine Bildgebung eines Untersuchungsbereichs (U) mittels durch Lichtstrahlen generierter Ultraschallwellen, aufweisend - ein Substrat (11) aus einem Halbleitermaterial, - eine auf dem Substrat (11) angeordnete Trägerschicht (12) und - zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) aus einem Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex größer als ein Brechungsindex der Trägerschicht (12), wobei mindestens eine Längsseite (13.L1, 13.L2, 13.L3, 13.L4) des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters (13, 15) von der Trägerschicht (12) zumindest teilweise umgeben ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) für ein Führen der Lichtstrahlen ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13) an einem dem Untersuchungsbereich (U) zugewandten Ende (13.E) ausgebildet ist für ein Auskoppeln der Lichtstrahlen in den Untersuchungsbereich (U) zum Generieren der Ultraschallwellen im Untersuchungsbereich (U) mittels der ausgekoppelten Lichtstrahlen für eine optoakustische Bildgebung und wobei ein weiterer Sender-Lichtwellenleiter (15) an dem dem Untersuchungsbereich (U) zugewandten Ende (15.E) eine optische Absorptionsschicht (14) für ein derartiges Umwandeln der Lichtstrahlen aufweist, dass in den Untersuchungsbereich (U) die generierten Ultraschallwellen für eine Ultraschall-Bildgebung ausgekoppelt werden.
  7. Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung (20), aufweisend - eine Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung (10) nach Anspruch 6 und - einen Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter (21) für ein Empfangen von im Untersuchungsbereich (U) reflektierten Ultraschallwellen, wobei mindestens eine Längsseite des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters (21) von der Trägerschicht (12) der Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung (10) zumindest teilweise umgeben ist.
  8. Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung (20) nach Anspruch 7, ferner aufweisend ein Abschirmelement (22), welches in einem Bereich zwischen dem dem Untersuchungsbereich (U) zugewandten Ende (13.E, 15.E) des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters (13, 15) und einem dem Untersuchungsbereich (U) zugewandten Ende (21.E) des Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiters (21) angeordnet ist.
  9. Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter (21) eine metallische Reflexionsschicht (21.R), ein erstes Bragg-Gitter (21.G1) mit einer Gitterperiode, ein zweites Bragg-Gitter (21.G2) mit der Gitterperiode und einen diskontinuierlichen Abschnitt (21.D) zwischen dem ersten Bragg-Gitter (21.G1) und dem zweiten Bragg-Gitter (21.G2) aufweist.
  10. Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner aufweisend einen dritten Lichtwellenleiter (23, 24), wobei der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter (21) zwischen dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter (13) und dem dritten Lichtwellenleiter (24) angeordnet ist, wenn der dritte Lichtwellenleiter (24) als weiterer Sender-Lichtwellenleiter ausgebildet ist, oder wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13) zwischen dem Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter (21) und dem dritten Lichtwellenleiter (23) angeordnet ist, wenn der dritte Lichtwellenleiter (23) als weiterer Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter ausgebildet ist.
  11. Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, ferner aufweisend einen zusätzlichen Lichtwellenleiter (23, 24), wobei der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13, 15), der Ultraschall-Empfänger-Lichtwellenleiter (21) und der zusätzliche Lichtwellenleiter (23, 24) gegenüber dem Untersuchungsbereich (U) zweidimensional angeordnet sind.
  12. Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung (30), aufweisend - eine Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder - eine Ultraschall-Sendeempfänger-Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, - eine Steuervorrichtung (31) und - eine Lichtquellenvorrichtung (32), wobei die Lichtquellenvorrichtung (32) mittels zumindest einer Faser (33) mit dem zumindest einen Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) verbunden ist und wobei die Steuervorrichtung (31) zu einem derartigen Ansteuern der Lichtquellenvorrichtung (32) ausgebildet ist, dass der zumindest eine Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) im Betrieb die Lichtstrahlen führt.
  13. Ultraschall-Bildgebung-Vorrichtung (30) nach Anspruch 12, wobei die Lichtquellenvorrichtung (32) einen Laser umfasst.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleiter-Sender-Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei ein Substrat (11) aus einem Halbleitermaterial bereitgestellt wird, eine Trägerschicht (12) auf dem Substrat (11) angeordnet wird und zumindest ein Sender-Lichtwellenleiter (13, 15) derart auf die Trägerschicht (12) aufgebracht wird, dass mindestens eine Längsseite (13.L1, 13.L2, 13.L3, 13.L4) des zumindest einen Sender-Lichtwellenleiters (13, 15) zumindest teilweise von der Trägerschicht (12) umgeben ist.
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