随着医疗超声技术的不断发展和变革，传统推车式的超声设备正在被手持式超声设备取而代之。这些设备体积非常小，能够轻松地放入白大褂口袋，而且具有很高的灵活性，只需一个探头，就能对身体各个部位（从深层器官到浅层静脉）进行成像。随着人工智能技术的进步，不只是受过良好训练的超声技师，那些未受过培训的专业人员也能在各种环境中操作这些设备。![]()
2018 年，Butterfly Network 公司推出了第一款微型手持式超声探头。2023 年 9 月，Exo Imaging 公司发布了具有竞争性的产品。硅超声波技术是实现这一目标的关键，它采用一种微机电系统（MEMS），将 4,000 到 9,000 个传感器集成到一个 2×3 厘米的硅芯片上。通过在单个芯片上集成 MEMS 传感器技术和复杂的电子设备，这些探头不仅保留了传统成像和三维测量的质量，还开辟了以前不可能实现的新应用。传统的超声探头包含由压电晶体或钛酸铅锆（PZT）等陶瓷板制成的传感器阵列。当受到电脉冲的冲击时，这些板会膨胀和收缩，并产生在其内部反弹的高频超声波。超声波从板中传出，进入患者身体的软组织和液体中，并产生回波信号。捕捉这些超声波的回声就像站在游泳池旁边，试图听到水下的说话声音一样。因此，换能器阵列由多层材料制成，这些材料的刚度从探头中心的硬压电晶体平滑过渡到身体的软组织。传输到体内的能量频率主要取决于压电层的厚度。较薄的压电层可传输较高的频率，从而在超声图像中看到较小、分辨率较高的特征，但成像深度较浅。较厚的压电层的频率较低，可以更深入地进入体内，但分辨率较低。因此，需要多种类型的超声探头来对身体的各个部位进行成像，频率从 1 MHz 到 10 MHz 不等。要对身体深处的大型器官或子宫内的婴儿进行成像，医生会使用 1 到 2 MHz 的探头，其分辨率可达 2 到 3 毫米，可深入体内 30 厘米。要对颈部动脉血流进行成像，医生通常会使用 8 到 10 MHz 的探头。对多个探头的需求以及微型化的缺乏，意味着传统的医用超声系统是一台笨重的推车式机器。在过去的三十年里，MEMS 使各行各业的制造商能够在微观尺度上制造精确、极其灵敏的元件。这一进步使得高密度传感器阵列的制造成为可能，这些阵列可以产生 1 到 10 MHz的全频率范围，从而只需一个探头就能对人体的各种深度进行成像。MEMS 技术还有助于微型化，使所有组件都能装入手持式探头中。再加上智能手机的计算能力，就不需要笨重的推车了。第一批基于 MEMS 的硅超声原型出现在 20 世纪 90 年代中期，这些早期传感器的核心部件是振动微机械薄膜，它能产生振动，就像敲击鼓在空气中产生声波一样。随后出现了两种结构的 MEMS 换能器。其中一种被称为电容式微机械超声换能器（CMUT），斯坦福大学 Pierre Khuri-Yakub 及其同事展示了首批版本。CMUT 属于静电转换型超声传感器，是由一个振动薄膜和一个固定电极组成的平行板电容器。其中一块板——振膜（前面提到的微机械薄膜）由硅或氮化硅制成，带有金属电极。另一块板——通常是微机械加工硅晶片基底，更厚、更坚硬。在发射模式下，振膜和基底背板之间会产生交变电压。由此产生的静电力导致薄膜振动，发出超声波。在接收模式下，超声波会引起膜振动，从而可以检测到电容变化。当振膜与人体接触时，振动会将超声波送入组织。产生或检测到多少超声波取决于振膜与基底之间的间隙，间隙必须在一微米或更小。微机械加工技术使这种精度成为可能。CMUT 工作原理示意图
另一种结构被称为压电微机械超声换能器（PMUT），其工作原理类似于烟雾报警器蜂鸣器的小型化版本。这些蜂鸣器由两层组成：固定在其外围的薄金属盘和粘合在金属盘顶部的薄且较小的压电盘。当电压施加到压电材料时，它的厚度以及从一侧到另一侧会膨胀和收缩。由于横向尺寸更大，压电盘直径变化更显著，并且在此过程中使整个结构弯曲。报警器中这些结构的直径通常为 4 厘米，能够产生约 3 kHz 的报警尖叫声。当薄膜的直径减小到 100 微米、厚度减小到 5 到 10 微米时，振动频率就会上升到 MHz，使其可用于医疗超声。![]()
Exo Imaging 利用 PMUT 技术开发出手持式超声设备
Honeywell 公司在 20 世纪 80 年代初开发了第一批使用硅隔膜上的压电薄膜的微机械传感器。直到 1996 年，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的材料学家 Paul Muralt 研究出了首批可在超声频率下工作的 PMUT [1]。CMUT 面临的一大挑战是如何使其产生足够的压力，将声波发送到深处并接收回声。由于振膜与基底之间的间隙极小，振膜的运动受到限制，从而限制了声波的振幅。将不同尺寸的 CMUT 阵列组合到单个探头中以增加频率范围也会降低声压，因为它减少了每个频率可用的探头面积。
这些问题的解决方案来自斯坦福大学 Khuri-Yakub 实验室。在 2000 年代初的实验中[2]，研究人员发现，增加 CMUT 类结构上的电压会产生静电力克服振膜的恢复力，这会导致振膜的中心塌陷到基底上。塌陷的薄膜看似是灾难性的，但后来发现它是一种既能提高 CMUT 效率，又使其更容易调谐到不同频率的方法。效率提高是因为接触区域周围的间隙非常小，从而增加了那里的电场。而且压力增加是因为边缘周围的大环形区域仍然具有良好的运动范围。此外，只需改变电压即可调节设备的频率。这样，单个 CMUT 超声探头能够高效地产生医疗诊断所需的整个超声频率范围。
深入 Butterfly CMUT 超声探头内部：振膜塌陷到基底上产生声波
从那时起，研究者们花了十多年的时间来理解 CMUT 阵列复杂的机电行为并为其建模，以及解决制造问题。在制造方面，CMUT 面临的挑战包括寻找合适的材料和开发生产光滑表面和一致间隙厚度所需的工艺。例如，分隔薄膜和基底的薄层厚度为 1 微米，必须能承受约 100 伏的电压。如果该层存在缺陷，电荷就会注入其中，器件会在边缘或振膜接触基底时短路，从而导致器件损坏或至少降低其性能。
不过，荷兰的飞利浦和新竹的台积电 (TSMC) 等 MEMS 代工厂开发出了这些问题的解决方案。2010 年左右，这些公司开始生产可靠、高性能的 CMUT。
早期的 PMUT 设计也很难产生足够的声压用于医疗超声。但其声压水平足以在某些消费类应用中发挥作用，例如手势检测。在这种“空中超声波”用途中，带宽并不重要，频率可以低于 1 MHz。2015 年，随着用于手机指纹传感的大型二维矩阵阵列的推出，用于医疗应用的 PMUT 获得了意想不到的提升。在这种方法的首次演示中，加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校的研究人员将大约 2500 个 PMUT 阵元与 CMOS 电子器件连接起来，并将它们置于硅橡胶层下。当指尖按压表面时，器件能以 20 MHz 的频率测量反射信号的振幅，以辨别指纹。这是在硅芯片上集成 PMUT 和电子器件的一次令人印象深刻的演示，它表明大型二维 PMUT 阵列可以产生足够高的频率，可用于浅层特征成像。但是，要将 PMUT 技术应用于医用超声，需要更高的带宽、更大的输出声压以及更高效率的压电薄膜。位于日内瓦的意法半导体公司（ST Microelectronics）提供了帮助，他们想出了在硅膜上集成 PZT 薄膜的方法。这些薄膜需要额外的加工步骤才能保持其特性。为了获得更大声压，压电层需要足够厚，以使薄膜能够承受高电压，但厚度增加会降低带宽。一种解决方案是使用一种椭圆形的 PMUT 薄膜，它能有效地将多个不同尺寸的薄膜合二为一。这类似于改变吉他弦的长度以产生不同的音调。椭圆形膜片通过其窄和宽的部分在同一结构上提供了多种长度的琴弦。为了在不同频率下有效振动膜的较宽和较窄部分，需要将电信号施加到膜相应区域的多个电极上。这种方法使 PMUT 能够在更宽的频率范围内高效工作。2000 年代初期，研究人员开始推动用于医用超声波的 CMUT 技术走出实验室，进入商业开发领域。斯坦福大学针对这一市场成立了多家初创公司。通用电气、飞利浦、三星和日立等领先的医疗超声成像公司也开始开发 CMUT 技术并测试 CMUT 探头。但直到 2011 年，CMUT 的商业化才真正开始取得进展，一个拥有半导体电子经验的团队成立了 Butterfly Network 公司。2018 年，Butterfly IQ 探头的推出是一个变革性事件。这是第一款可以通过二维成像阵列对全身进行成像并生成三维图像数据的手持式超声探头。该探头与电视遥控器差不多大小，只是稍重一些，最初售价为 1,999 美元，是全尺寸推车式机器的二十分之一。Exo Imaging 于 2023 年 9 月推出了手持式探头 Exo Iris，标志着医用超声 PMUT 首次投入商业应用。Exo Iris 由一个在半导体电子和集成领域拥有丰富经验的团队开发，其大小和重量与 Butterfly IQ 探头差不多。其 3500 美元的价格与 Butterfly 最新型号 IQ+ 的售价（2999 美元）不相上下。这些探头中的超声微机电系统（MEMS）芯片尺寸为 2 x 3 厘米，是最大的机电和电子功能相结合的硅芯片。其尺寸和复杂性给设备的均匀性和产量带来了生产上的挑战。这些手持设备的工作功率较低，因此探头的电池重量轻，在设备连接手机或平板电脑时可连续使用数小时，而且充电时间短。为了使输出数据与手机和平板电脑兼容，探头的主芯片执行数字化以及一些信号处理和编码。为了提供三维信息，这些手持式探头会采集多个二维解剖切片，然后利用机器学习和人工智能构建必要的三维数据。内置的人工智能算法还能帮助医生和护士将针头精确地放置在所需的位置，例如在具有挑战性的血管或其他组织中进行活检。根据 2022 年发表在《NEJM Evidence》上的一项研究 [3]，为这些探头开发的人工智能非常出色，未经超声培训的护士也可以使用便携式探头确定胎儿的胎龄，其准确性与受过培训的超声技师相当。基于人工智能的功能还能使手持探头在急诊医学、低收入环境和医科学生培训中发挥作用。这只是微型超声波技术的开端。目前，包括台积电和意法半导体在内的几家全球最大的半导体代工厂分别在 300 毫米和 200 毫米晶圆上生产 MEMS 超声芯片。事实上，意法半导体最近在新加坡成立了一个专门的压电薄膜 MEMS "Lab-in-Fab"，以加快从概念验证到批量生产的过渡。Philips Engineering Solutions [4] 为 CMUT-on-CMOS 集成提供 CMUT 制造服务，法国 Vermon [5] 公司则提供商用 CMUT 设计和制造服务。这意味着初创公司和学术团体现在可以获得基础技术，从而以比 10 年前低得多的成本实现新的创新水平。行业分析师预计，随着这些研究的开展，超声 MEMS 芯片将被集成到许多不同的医疗设备中，用于成像和传感。例如，Butterfly Network 正与 Forest Neurotech [6] 合作开发用于脑机接口和神经调节的 MEMS 超声。其他应用还包括长期、低功耗的可穿戴设备，如心脏、肺部和大脑监测器，以及用于康复的肌肉活动监测器。未来五年，人们有望看到基于超声 MEMS 芯片的微型无源医疗植入物，使用超声波远程传输电力和数据。最终，这些手持式超声探头或可穿戴阵列不仅可用于解剖成像，还能读取生命体征，例如由于肿瘤生长或手术后深部组织氧合导致的内部压力变化。有朝一日，类似指纹的超声波传感器可以用来测量血流量和心率，可穿戴式或植入式设备可能会在我们睡觉、吃饭和生活时生成超声图像。
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参考文献
[1] https://www.nature.com/articles/s41378-023-00555-7[2] https://ieeexplore.ieee.org/document/1235329[3] https://evidence.nejm.org/doi/full/10.1056/EVIDoa2100058[4] https://www.engineeringsolutions.philips.com/looking-expertise/mems-micro-devices/[5] https://www.vermon.com/index.php[6] https://forestneurotech.org/
