隨著微電子和人工智能（AI）的巨大進步，超聲探頭已成為超聲在臨床環境之外（例如家庭和監控應用）進一步應用的瓶頸。如今，超聲換能器孔徑小、體積大、含鉛且制造成本昂貴。此外，傳統的超聲換能器是剛性的，這限制了其與柔性皮膚貼片的集成。因此，制造柔性超聲貼片的新方法最近引起了人們的廣泛關注。首批原型通常使用類似的含鉛壓電材料，并通過在塑料或橡膠類襯底上微組裝剛性有源元件來制造。

據麥姆斯咨詢報道，近日，荷蘭國家應用科學研究院（TNO）、Radboud大學醫學中心、特溫特大學（Twente University）的研究人員組成的團隊在Nature Communications期刊上發表了題為“Flexible large-area ultrasound arrays for medical applications made using embossed polymer structures”的論文，提出了一種基于壓電聚合物熱壓印的箔上超聲換能器技術——PillarWave，獲得了組織模擬體模的高質量二維超聲圖像。通過將其功能集成到半徑為3 mm的內窺鏡探頭和大面積（91.2 mm × 14 mm）無創血壓傳感器中，研究人員展示了所提出的P(VDF-TrFE)超聲換能器的機械柔性和有效面積可擴展性。

在薄而柔性的塑料襯底上制備P(VDF-TrFE)超聲換能器

大約40 μm厚的P(VDF-TrFE)薄膜被層壓在一個含有薄底部電極的聚酰亞胺襯底（厚度14 μm）上。這種P(VDF-TrFE)薄膜通過PDMS印模熱壓印被結構化，在約10 μm的殘留P(VDF-TrFE)薄膜頂部形成了均勻的高度為70 μm的柱狀結構（圖1a）。壓印步驟之后，第二層約10 μm的P(VDF-TrFE)薄膜被層壓在頂部，為圖案化頂部電極的沉積提供了一個平坦的表面（圖1b）。所制造的超聲換能器的橫截面如圖1c所示。

圖1 PillarWave超聲換能器技術

該超聲換能器的總厚度約為100 μm，由于其陣列的柱狀結構和不含陶瓷層，超聲換能器本身是可彎曲的（圖1d）。圖1e顯示了一個包裹在球囊導管上的換能器，旨在血管內使用。在圖1f中，超聲換能器陣列直接附著在人體（即頸部）上，用于頸動脈血壓測量。機械柔性和低重量也使其佩戴舒適。

超聲換能器單元的表征

第一步，研究人員對大面積圓形超聲換能器單元進行了表征，結果如圖2所示。

圖2 超聲換能器單元的表征

圍繞6 mm內窺鏡探頭彎曲時的脈沖-回波測量

研究人員使用上述制造工藝制造了針對頸動脈超聲成像優化的線性超聲換能器陣列。該陣列由獨立的并行發射和接收孔徑構成，每個孔徑有64個單元。每個孔徑的尺寸為11.5 mm× 2.5 mm，單元間距為180 μm。其性能是使用水聽器裝置在水中測量的，如圖3所示。這些測量結果表明，超聲換能器陣列在強烈彎曲的同時仍能在脈沖-回波模式下繼續工作。

圖3 128-單元柔性聚合物超聲換能器陣列的表征

128-單元線性超聲換能器陣列的高分辨率成像

圖4b顯示了在8.2 MHz處測得的峰值發射傳輸與超聲換能器表面位置的函數關系。圖4c顯示了使用模擬組織體模（040GSE，CIRS，Norfolk，弗吉尼亞州，美國）獲得的典型超聲B模式圖像。

圖4 使用128-單元柔性聚合物超聲換能器陣列對組織模擬體模進行高分辨率成像

用于血壓監測應用的大孔徑超聲換能器陣列（91.2? mm ×?14 mm）

為了展示提出的超聲換能器技術的大面積可擴展性，研究人員實現了具有91.2 mm × 14 mm超大有效孔徑的換能器陣列（圖5a）。該陣列由四排交錯排列的32個換能器單元構成。每個換能器單元的尺寸為1.6 mm × 3.2 mm并由大約2365個柱狀結構構成。陣列的設計經過優化，以確保發射和接收單元的至少一種組合相對于頸動脈處于最佳位置（即，聲束將橫切頸動脈中心），而與患者的頭部運動無關。如圖1f所示，大約10 cm長的陣列很好地貼合了人體頸部的形狀。這對于剛性超聲換能器來說是不可能的。由于其剛性表面無法適應人類頸部的曲線形狀而不得不施加過大的壓力，因此會導致較差的聲學耦合效果。

圖5b中所示的測量結果表明95%的超聲換能器單元正在工作，峰值傳遞函數變化50%（發射：0.6–1.3 kPa/V，接收：50–100 μV/Pa）。該陣列在自制的體外頸動脈體模上進行了測試。研究人員通過將前后壁的回波隨時間相互關聯來追蹤頸動脈血管壁。隨后，利用血壓傳感器校準將所得血管直徑轉換為血壓波形，見圖5c。從中可以觀察到測得壓力和參考壓力之間的高度一致性：差異小于5%。圖5d顯示了頸動脈的體內數據，從中清楚得觀察到明顯的血管壁回波。

圖5 大面積柔性超聲血壓傳感器

綜上所述，這項研究報道了一種適用于大面積可穿戴超聲應用的柔性換能器技術。該技術基于P(VDF-TrFE)微結構化薄膜，其厚度僅為約80 μm。柱狀結構可降低聲學串擾。與非結構化P(VDF-TrFE)薄膜相比，它還提高了機械柔性。P(VDF-TrFE)的低聲阻抗可實現大頻率帶寬和高軸向分辨率，而無需匹配層或背襯層。該技術的潛力在三個應用中得到了展示，每個應用都顯示了PillarWave技術的獨特優勢——內窺鏡超聲（EUS）換能器在3 mm的小半徑上機械彎曲時仍能保持功能；頸動脈B模式成像顯示出了良好的空間分辨率；血壓傳感器顯示了大面積擴展的潛力。所提出的柔性換能器技術有望擴展到醫學相關超聲頻率的整個范圍（1~60?MHz）。此外，該制造技術基于大面積制造工藝，避免了復雜的組裝技術。

本文所提出的柔性大面積超聲換能器技術主要針對可穿戴超聲應用。最初，這些應用可能主要在診所內。然而，醫療超聲在診所以外的應用也在不斷涌現，例如全科醫生的預防性檢查、（極限）運動中的監測或家庭環境中的監測（如孕婦）等。高性能、低成本、可擴展性、柔性和無鉛組件的結合使得這項技術非常適用于這些新應用。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47074-1

審核編輯：劉清