醫療超聲范疇正在發(fā)生驚人的改動(dòng)，正在醫院和醫師辦公室中展開(kāi)。歷史悠久、的超聲波機器被推在推車(chē)上，懸掛著(zhù)電纜和多個(gè)探頭，現在正被永久推到一邊，取而代之的是可將圖畫(huà)發(fā)送到手機的手持探頭。

這些設備滿(mǎn)足小，能夠放入試驗室外套口袋中，而且滿(mǎn)足靈敏，能夠對身體的任何部位（從深部器官到淺靜脈）進(jìn)行成像，并供給全面的 3D 視圖，所有這些都只需一個(gè)探頭即可完成。隨同它們的人工智能或許很快就會(huì )使未經(jīng)練習的人員在任何環(huán)境下都能夠操作這些設備，而不只僅是診所中練習有素的超聲檢查人員。

個(gè)此類(lèi)小型手持式超聲探頭于 2018 年上市，來(lái)自馬薩諸塞州伯靈頓的Butterfly Network 。去年 9 月，加利福尼亞州圣克拉拉的 Exo Imaging推出了競爭版別。

讓這一切成為或許的是硅超聲技能，該技能運用一種微機電體系 (MEMS) 構建，將 4,000 到 9,000 個(gè)傳感器（將電信號轉換為聲波并再次轉換回來(lái)的設備）填充到 2 x 3 厘米的硅芯片上。經(jīng)過(guò)將 MEMS 傳感器技能與復雜的電子器材集成在單個(gè)芯片上，這些掃描儀不只能夠仿制傳統成像和 3D 測量的質(zhì)量，而且還拓荒了曾經(jīng)不或許的新運用。

超聲波怎么作業(yè)？

要了解研究人員怎么完成這一豪舉，了解超聲波技能的基礎知識會(huì )很有協(xié)助。超聲波探頭運用換能器將電能轉換為穿透身體的聲波。聲波從身體的軟安排反彈并回波回探頭。然后傳感器將回聲聲波轉換為電信號，計算機將數據轉換為能夠在屏幕上查看的圖畫(huà)。

傳統的超聲探頭包含由壓電晶體板或鈦酸鉛鋯 (PZT) 等陶瓷板制成的換能器陣列。當遭到電脈沖碰擊時(shí)，這些板會(huì )脹大和縮短，并發(fā)生在其內部反彈的高頻超聲波。

為了對成像有用，超聲波需求從平板傳播到患者身體的軟安排和體液中。這不是一項簡(jiǎn)略的使命。捕捉這些波濤的回聲就像站在游泳池旁邊試圖聽(tīng)到有人在水下說(shuō)話(huà)相同。因而，換能器陣列由多層資料構成，這些資料的剛度從探頭的硬壓電晶體平滑過(guò)渡到身體的軟安排。

傳輸到體內的能量的頻率主要由壓電層的厚度決議。更薄的層傳輸更高的頻率，這使得在超聲圖畫(huà)中能夠看到更小、更高分辨率的特征，但僅限于淺深度。較厚的壓電資料的較低頻率會(huì )更深化地傳播到體內，但分辨率較低。

因而，需求多種類(lèi)型的超聲波探頭來(lái)對身體的各個(gè)部位進(jìn)行成像，頻率規模為 1 到 10 兆赫茲。為了對身體深處的大型器官或子宮內的嬰兒進(jìn)行成像，醫師運用 1 到 2 MHz 的探頭，它能夠供給 2 到 3 毫米的分辨率，而且能夠深化體內 30 厘米。為了對頸部動(dòng)脈的血流進(jìn)行成像，醫師一般運用 8 至 10 MHz 探頭。

對多個(gè)探頭的需求以及小型化的缺乏意味著(zhù)傳統的醫療超聲體系坐落拖在推車(chē)上的粗笨、四四方方的機器中。MEMS 技能的引入改動(dòng)了這一點(diǎn)。

在曩昔三十年中，MEMS 使各行各業(yè)的制作商能夠在微觀(guān)尺度上制作出準確、極端敏感的元件。這一前進(jìn)使得高密度換能器陣列的制作成為或許，該陣列能夠發(fā)生 1 至 10 MHz 規模內的頻率，然后能夠運用一個(gè)探頭對體內的各種深度進(jìn)行成像。

MEMS 技能還有助于小型化附加組件，使所有部件都適合手持式探頭。與智能手機的計算才能相結合，就不再需求粗笨的購物車(chē)。

個(gè)根據 MEMS 的硅超聲原型呈現于 20 世紀 90 時(shí)代中期，其時(shí) MEMS 作為一項新技能的興奮度到達高峰。這些早期傳感器的要害元件是振蕩微機械膜，它使設備能夠發(fā)生振蕩，就像敲擊鼓在空氣中發(fā)生聲波相同。

呈現了兩種架構。其間一種稱(chēng)為電容式微機械超聲波換能器（CMUT），因其簡(jiǎn)略的電容器狀結構而得名。斯坦福大學(xué)電氣工程師 Pierre Khuri-Yakub 及其搭檔演示了個(gè)版別。

CMUT 根據電容器中的靜電力，該電容器由兩個(gè)由小空隙離隔的導電板形成。一塊板——前面說(shuō)到的微加工膜——由硅或氮化硅制成，帶有金屬電極。另一種——一般是微機械加工的硅晶片基板——更厚、更堅硬。當施加電壓時(shí)，在膜和基板上放置相反的電荷，吸引力將膜拉向基板并使其曲折。當添加振蕩電壓時(shí)，力就會(huì )改動(dòng)，導致薄膜振蕩，就像敲擊的鼓面相同。

當膜與人體觸摸時(shí)，振蕩將超聲波發(fā)送到安排中。發(fā)生或檢測到多少超聲波取決于膜和基底之間的空隙，該空隙需求在大約一微米或更小處進(jìn)行測量。微加工技能使這種精度成為或許。

另一種根據 MEMS 的架構稱(chēng)為 壓電微機械超聲換能器(PMUT)，其作業(yè)原理類(lèi)似于煙霧報警器蜂鳴器的小型化版別。這些蜂鳴器由兩層組成：固定在其外圍的薄金屬盤(pán)和粘合在金屬盤(pán)頂部的薄且較小的壓電盤(pán)。當電壓施加到壓電資料時(shí)，它的厚度以及從一側到另一側會(huì )脹大和縮短。因為橫向尺度更大，壓電盤(pán)直徑改動(dòng)更明顯，而且在此進(jìn)程中使整個(gè)結構曲折。在煙霧報警器中，這些結構的直徑一般為 4 厘米，它們會(huì )發(fā)生大約 3 千赫茲的尖叫警報聲。當膜的直徑縮小到 100 μm、厚度縮小到 5 到 10 μm 時(shí)，振蕩會(huì )上升到兆赫頻率，使其可用于醫療超聲。

霍尼韋爾 (Honeywell) 在 20 世紀 80 時(shí)代初開(kāi)發(fā)了批運用硅隔膜上的壓電薄膜的微機械傳感器。直到1996 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的資料科學(xué)家 Paul Muralt 的研究成果 才呈現了批以超聲波頻率運轉的 PMUT 。

CMUT 早年

CMUT 面對的一大挑戰是讓它們發(fā)生滿(mǎn)足的壓力，將聲波發(fā)送到身體深處并接收返回的回聲。膜的運動(dòng)遭到膜與基底之間極小的空隙的約束。這約束了能夠發(fā)生的聲波的幅度。將不同尺度的 CMUT 設備陣列組合到單個(gè)探頭中以添加頻率規模也會(huì )危害壓力輸出，因為它減少了每個(gè)頻率可用的探頭面積

這些問(wèn)題的處理方案來(lái)自斯坦福大學(xué)的 Khuri-Yakub 試驗室。在2000 時(shí)代初期的試驗中 ，研究人員發(fā)現，添加 CMUT 類(lèi)結構上的電壓會(huì )導致靜電力戰勝膜的恢復力。結果，膜的塌陷到基底上。

塌陷的薄膜一開(kāi)端似乎是災難性的，但事實(shí)證明這是一種使 CMUT 更、更能習慣不同頻率的辦法。因為觸摸區域周?chē)目障斗浅Ｐ?，然后添加了那里的電?chǎng)，因而功率提高了。而且壓力添加是因為邊際周?chē)拇蟓h(huán)形區域依然具有杰出的運動(dòng)規模。此外，只需改動(dòng)電壓即可調理設備的頻率。反過(guò)來(lái)，這使得單個(gè) CMUT 超聲探頭能夠地發(fā)生醫療診斷所需的整個(gè)超聲頻率規模。

從那時(shí)起，我們花了十多年的時(shí)刻來(lái)理解和模擬 CMUT 陣列的復雜機電行為并處理制作問(wèn)題。對這些設備進(jìn)行建模非常棘手，因為每個(gè) CMUT 陣列中都稀有千個(gè)單獨的膜相互作用。

在制作方面，挑戰包含尋覓合適的資料并開(kāi)發(fā)出產(chǎn)潤滑外表和空隙厚度所需的工藝。例如，分隔導電膜和基板的薄介電層必須以 1 μm 的厚度接受約 100 伏的電壓。假如該層有缺陷，則電荷或許會(huì )注入其間，而且器材或許會(huì )在邊際處或當膜觸摸基板時(shí)短路，然后損壞器材或至少降低其功用。

不過(guò)，終究，荷蘭埃因霍溫的飛利浦工程處理方案公司和新竹的臺積電 (TSMC) 等 MEMS 代工廠(chǎng)開(kāi)發(fā)出了這些問(wèn)題的處理方案。2010 年左右，這些公司開(kāi)端出產(chǎn)可靠、高功用的 CMUT。

早期的 PMUT 規劃也難以發(fā)生滿(mǎn)足的壓力來(lái)用于醫療超聲。但它們或許足以在某些消費類(lèi)運用中發(fā)揮作用，例如 手勢檢測和接近傳感器。在這種“空中超聲波”用途中，帶寬并不重要，頻率能夠低于 1 MHz。

2015 年，跟著(zhù)用于手機指紋傳感的大型 2D 矩陣陣列的推出，用于醫療運用的 PMUT 獲得了意想不到的提升。在這種辦法的初次演示中，加州大學(xué)伯克利分校和加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員將大約 2,500 個(gè) PMUT 元件銜接到 CMOS 電子器材，并將它們放置在硅橡膠類(lèi)層下。當指尖按在外表上時(shí)，原型會(huì )測量 20 MHz 反射信號的振幅，以區別指尖的脊和指尖之間的氣穴。

這是在硅芯片上集成 PMUT 和電子器材的令人印象深刻的演示，它表明大型 2D PMUT 陣列能夠發(fā)生滿(mǎn)足高的頻率，可用于淺層特征的成像。但為了完成醫療超聲范疇的跨過(guò)，PMUT 技能需求更大的帶寬、更大的輸出壓力以及更高功率的壓電薄膜。

總部坐落日內瓦的ST 微電子 公司等半導體公司供給了協(xié)助 ，該公司找到了怎么將 PZT 薄膜集成到硅膜上的辦法。這些薄膜需求額定的加工步驟來(lái)堅持其特性。但功用的提高使得額定步驟的成本變得值得。

為了完成更大的壓力輸出，壓電層需求滿(mǎn)足厚，以使薄膜能夠接受杰出的超聲圖畫(huà)所需的高電壓。但厚度添加會(huì )導致膜變得更堅硬，然后降低帶寬。

一種處理方案是運用橢圓形 PMUT 膜，該膜可有效地將多個(gè)不同尺度的膜組合成一個(gè)。這類(lèi)似于改動(dòng)吉他弦的長(cháng)度來(lái)發(fā)生不同的音調。橢圓形膜以其窄截面和寬截面在同一結構上供給多種長(cháng)度的串。為了以不同頻率有效地振蕩膜的較寬和較窄部分，將電信號施加到放置在膜的相應區域上的多個(gè)電極。這種辦法使 PMUT 在更寬的頻率規模內堅持。

從學(xué)術(shù)界到現實(shí)國際

2000 時(shí)代初期，研究人員開(kāi)端將用于醫學(xué)超聲的 CMUT 技能推向試驗室并進(jìn)入商業(yè)開(kāi)發(fā)。斯坦福大學(xué)針對這個(gè)市場(chǎng)成立了幾家初創(chuàng )公司。GE、飛利浦、三星和日立等搶先的醫學(xué)超聲成像公司開(kāi)端開(kāi)發(fā) CMUT 技能并測試根據 CMUT 的探頭。

但直到2011年，CMUT商業(yè)化才真實(shí)開(kāi)端取得進(jìn)展。那一年，一個(gè)具有半導體電子經(jīng)驗的團隊創(chuàng )立了蝴蝶網(wǎng)絡(luò )。2018 年 IQ Probe 的推出是一次革新性事情。它是個(gè)能夠經(jīng)過(guò) 2D 成像陣列對全身進(jìn)行成像并生成 3D 圖畫(huà)數據的手持式超聲探頭。該探測器的巨細與電視遙控器適當，僅稍重一些，初價(jià)格為 1,999 美元，是全尺度推車(chē)式機器成本的二十分之一。

大約在同一時(shí)刻，東京的日立公司和我國姑蘇的 Kolo Medical（曾經(jīng)坐落加利福尼亞州圣何塞）將根據 CMUT 的探頭商業(yè)化，用于傳統超聲體系。但兩者都不具備與 Butterfly 相同的才能。例如，CMUT 和電子設備沒(méi)有集成在同一塊硅芯片上，這意味著(zhù)探頭具有一維陣列而不是二維陣列。這約束了體系生成 3D 圖畫(huà)的才能，而這在高檔診斷中是必需的，例如確認膀胱體積或查看心臟的同步正交視圖。

Exo Imaging 于 2023 年 9 月推出手持式探頭 Iris，標志著(zhù)用于醫療超聲的 PMUT 的商業(yè)初次亮相。Iris 由具有半導體電子和集成經(jīng)驗的團隊開(kāi)發(fā)，其尺度和分量與 Butterfly 的 IQ Probe 大致相同。其 3,500 美元的價(jià)格與 Butterfly 新型號 IQ+ 的價(jià)格 2,999 美元適當。

這些探頭中的超聲波 MEMS 芯片尺度為 2 x 3 厘米，是大的硅芯片之一，具有機電和電子功用。尺度和復雜性給器材的均勻性和產(chǎn)值帶來(lái)了出產(chǎn)挑戰。

這些手持設備以低功耗運轉，因而探頭的電池分量輕，在設備銜接到手機或平板電腦時(shí)可繼續運用幾個(gè)小時(shí)，而且充電時(shí)刻短。為了使輸出數據與手機和平板電腦兼容，探頭的主芯片履行數字化以及一些信號處理和編碼。

為了供給 3D 信息，這些手持式探頭獲取多個(gè) 2D 解剖切片，然后運用機器學(xué)習和 AI 來(lái)構建必要的 3D 數據。內置的根據人工智能的算法還能夠協(xié)助醫師和護理將針準確地放置在所需方位，例如具有挑戰性的脈管體系或其他安排進(jìn)行活檢。

為這些探頭開(kāi)發(fā)的人工智能非常好，以至于未受過(guò)超聲波訓練的人員（例如護理助產(chǎn)士）能夠運用便攜式探頭來(lái)確認胎兒的胎齡，其準確度與經(jīng)過(guò)訓練的超聲波技師相似。NEJM Evidence 2022 年的一項研究 。根據人工智能的功用還能夠使手持式探頭在急診醫學(xué)、低收入環(huán)境以及醫學(xué)生訓練方面發(fā)揮作用。

這僅僅是小型化超聲波的開(kāi)端。包含臺積電和意法半導體在內的幾家全球大的半導體代工廠(chǎng)現在分別在 300 毫米和 200 毫米晶圓上出產(chǎn) MEMS 超聲波芯片。

事實(shí)上，意法半導體近在新加坡成立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于薄膜壓電 MEMS 的“工廠(chǎng)試驗室”，以加速從概念驗證到批量出產(chǎn)的轉變。Philips Engineering Solutions為 CMUT-on-CMOS 集成供給 CMUT 制作，坐落法國圖爾的Vermon供給商業(yè) CMUT 規劃和制作。這意味著(zhù)初創(chuàng )公司和學(xué)術(shù)團體現在能夠獲得基礎技能，然后以比 10 年前低得多的成本完成新的立異水平。

經(jīng)過(guò)所有這些活動(dòng)，職業(yè)分析師估計超聲波 MEMS 芯片將集成到許多不同的醫療設備中，用于成像和傳感。例如，Butterfly Network 與 Forest Neurotech協(xié)作，正在開(kāi)發(fā)用于腦機接口和神經(jīng)調理的 MEMS 超聲波。其他運用包含長(cháng)期、低功耗可穿戴設備，例如心臟、肺和大腦監視器，以及康復中運用的肌肉活動(dòng)監視器。

未來(lái)五年，估計將呈現采用超聲波 MEMS 芯片的微型無(wú)源醫療植入物，其間運用超聲波長(cháng)途傳輸電力和數據。終究，這些手持式超聲探頭或可穿戴陣列不只能夠用于解剖結構成像，還能夠讀取生命體征，例如因為腫瘤成長(cháng)或手術(shù)后深部安排氧合導致的內部壓力改動(dòng)。有一天，類(lèi)似指紋的超聲波傳感器能夠用來(lái)測量血流量和心率。

有一天，可穿戴或植入式版別或許會(huì )在我們睡覺(jué)、吃飯和日子時(shí)生成被動(dòng)超聲圖畫(huà)。