利用压花聚合物结构制成的医疗用柔性大面积超声阵列
文摘
2024-07-03 10:00
上海
超声波能以安全无创的方式对深层组织、器官和血流进行实时成像。就每年生成的图像数量而言，它是使用最广泛的医学成像模式。目前的超声系统需要超声技师进行指向和定位，而成片的灵活大型超声阵列可实现免提成像，为短期和长期监测应用提供了解决方案。除了一些明显的例外，大多数超声贴片的原型通常是通过在柔性或可拉伸基底上微组装单个压电换能器元件而制成的。刚性岛屿器件包含功能性超声换能器，而中间的薄电极则提供机械柔性，使贴片能够贴合非平面表面。弹簧状金属互连线和/或液态金属可用于提供可拉伸性。这种方法存在一些基本的权衡问题。首先，包含功能性超声换能器的面积通常不到总面积的 50%。这就影响了可实现的图像质量。其次，使用 PZT 和基于 PZT的复合材料需要目前不包含的背衬层，这导致带宽相对较低，因此轴向(即深度)分辨率也相对较低。第三，元件组装制造技术使得阵列尺寸更大、密度更高的成本过高。目前，传统的超声波传感器由 100 到 10000 个元件组成，而迄今为止已发表的柔性和可穿戴超声波传感器的元件数量从 10 到 256 个不等。最后，这些超声波传感器应避免使用铅。随着微电子学和人工智能的巨大进步，超声波探头已成为超声波在临床环境以外进一步应用的瓶颈(如家庭和监测应用)。如今，超声波传感器孔径小、体积大、含铅且制造成本高此外，它们都是刚性的，这限制了它们与柔性皮肤贴片的整合。因此，制造柔性超声贴片的新方法最近引起了广泛关注。首批原型通常使用相同的含铅压电材料，并通过在塑料或橡胶类基底上对刚性有源元件进行微组装来制作。霍斯特中心Gerwin H. Gelinck教授等人介绍了一种基于压电聚合物热压印技术的箔上超声换能器技术。我们获得了组织模拟模型的高质量二维超声图像。通过将其功能集成到半径为3 mm的内窥镜探头和大面积(91.2x14 mm2)无创血压传感器中证明了换能器的机械灵活性和有效面积可扩展性。相关研究以“Flexible large-area ultrasound arrays for medical applications made using embossed polymer structures”为题发表在Nature Communications期刊上。Fig. 1 |Pillar Wave TM technology.Fig. 2 | Characteristics of a single element.Fig. 3 | Characteristics of 128-element flexible polymer array transducer.Fig. 4 | High-resolution imaging of tissue-mimicking phantom using a 128 element flexible polymer array transducer.Fig. 5 | Large-area flexible ultrasonic blood pressure sensor.作者报告了一种适用于大面积穿戴式超声应用的柔性换能器技术。该技术基于厚度仅约 80微米的 P(VDF-TrFE)微结构薄膜。支柱结构可降低声学串扰。与无结构的P(VDF-TrFE)薄膜相比，它还进一步提高了机械柔韧性。P(VDF-TrFE)薄膜的低声阻抗使其具有较大的频率带宽和较高的轴向分辨率，而无需匹配层或背衬层。作者在三个应用中展示了该技术的潜力每个应用都显示了柱状波 TM 技术的独特优势--内窥镜超声(EUS)换能器在 3 毫米的小半径范围内机械弯曲时仍能保持功能；颈动脉 b型成像显示了良好的空间分辨率；血压传感器显示了大面积扩展的潜力。作者指出，在所有情况下，都采用了相同的制造工艺，即使用单一的 P(VDF-TrFE)柱几何形状。超声元件的尺寸实际上是由顶部和底部电极的设计决定的。这就允许在一个基底上同时制造多个不同设计的换能器--只要这些换能器使用相同的支柱高度(即工作频率)。我们的换能器技术有望扩展到医学相关的全部超声频率范围(1-60 MHz)。此外，制造技术基于大面积制造工艺，避免了复杂的组装技术。目前，基板的最大尺寸为 32 x 35 cm2；不过，与显示器生产类似，预计未来可能会使用几平方米大小的基板。这将大大降低生产成本，为大规模制造柔性大面积超声阵列提供一条快速、经济的途径。目前，作者正在将本文报道的聚合物换能器技术与薄膜晶体管背板进行整合目的是减少相互连接的数量，从而降低寻址电子元件的成本。该柔性大型换能器技术主要针对可穿戴式超声应用。最初，这些应用可能主要是在诊所内。然而，医疗超声波在诊所以外的应用也在不断涌现，如全科医生的预防性检查、(极限)运动中的监测或家庭环境中的监测(如孕妇)。该技术集高性能、低成本、可扩展性灵活性和无铅元件于一身，非常适合这些新应用。Flexible large-area ultrasound arrays for medical applications made using embossed polymer structureshttps://doi.org/10.1038/s41467-024-47074-1*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
