MEMS技術(shù)，推動(dòng)超聲波革命

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醫(yī)療超聲領(lǐng)域正在發(fā)生驚人的變化，正在醫(yī)院和醫(yī)生辦公室中展開。歷史悠久、最先進(jìn)的超聲波機(jī)器被推在推車上，懸掛著電纜和多個(gè)探頭，現(xiàn)在正被永久推到一邊，取而代之的是可將圖像發(fā)送到手機(jī)的手持探頭。

這些設(shè)備足夠小，可以放入實(shí)驗(yàn)室外套口袋中，并且足夠靈活，可以對(duì)身體的任何部位（從深部器官到淺靜脈）進(jìn)行成像，并提供全面的 3D 視圖，所有這些都只需一個(gè)探頭即可完成。伴隨它們的人工智能可能很快就會(huì)使未經(jīng)訓(xùn)練的專業(yè)人員在任何環(huán)境下都可以操作這些設(shè)備，而不僅僅是診所中訓(xùn)練有素的超聲檢查人員。

第一個(gè)此類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(jìng)爭(zhēng)版本。

讓這一切成為可能的是硅超聲技術(shù)，該技術(shù)使用一種微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 構(gòu)建，將 4,000 到 9,000 個(gè)傳感器（將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波并再次轉(zhuǎn)換回來(lái)的設(shè)備）填充到 2 x 3 厘米的硅芯片上。通過(guò)將 MEMS 傳感器技術(shù)與復(fù)雜的電子器件集成在單個(gè)芯片上，這些掃描儀不僅可以復(fù)制傳統(tǒng)成像和 3D 測(cè)量的質(zhì)量，而且還開辟了以前不可能的新應(yīng)用。

01超聲波如何工作？

要了解研究人員如何實(shí)現(xiàn)這一壯舉，了解超聲波技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)會(huì)很有幫助。超聲波探頭使用換能器將電能轉(zhuǎn)換為穿透身體的聲波。聲波從身體的軟組織反彈并回波回探頭。然后傳感器將回聲聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以在屏幕上查看的圖像。

傳統(tǒng)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(dāng)受到電脈沖撞擊時(shí)，這些板會(huì)膨脹和收縮，并產(chǎn)生在其內(nèi)部反彈的高頻超聲波。

為了對(duì)成像有用，超聲波需要從平板傳播到患者身體的軟組織和體液中。這不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。捕捉這些波浪的回聲就像站在游泳池旁邊試圖聽到有人在水下說(shuō)話一樣。因此，換能器陣列由多層材料構(gòu)成，這些材料的剛度從探頭中心的硬壓電晶體平滑過(guò)渡到身體的軟組織。

傳輸?shù)襟w內(nèi)的能量的頻率主要由壓電層的厚度決定。更薄的層傳輸更高的頻率，這使得在超聲圖像中可以看到更小、更高分辨率的特征，但僅限于淺深度。較厚的壓電材料的較低頻率會(huì)更深入地傳播到體內(nèi)，但分辨率較低。

因此，需要多種類型的超聲波探頭來(lái)對(duì)身體的各個(gè)部位進(jìn)行成像，頻率范圍為 1 到 10 兆赫茲。為了對(duì)身體深處的大型器官或子宮內(nèi)的嬰兒進(jìn)行成像，醫(yī)生使用 1 到 2 MHz 的探頭，它可以提供 2 到 3 毫米的分辨率，并且可以深入體內(nèi) 30 厘米。為了對(duì)頸部動(dòng)脈的血流進(jìn)行成像，醫(yī)生通常使用 8 至 10 MHz 探頭。

02MEMS 如何改變超聲波

對(duì)多個(gè)探頭的需求以及小型化的缺乏意味著傳統(tǒng)的醫(yī)療超聲系統(tǒng)位于拖在推車上的笨重、四四方方的機(jī)器中。MEMS 技術(shù)的引入改變了這一點(diǎn)。

在過(guò)去三十年中，MEMS 使各行各業(yè)的制造商能夠在微觀尺度上制造出精確、極其敏感的元件。這一進(jìn)步使得高密度換能器陣列的制造成為可能，該陣列可以產(chǎn)生 1 至 10 MHz 范圍內(nèi)的頻率，從而可以使用一個(gè)探頭對(duì)體內(nèi)的各種深度進(jìn)行成像。

MEMS 技術(shù)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(jī)的計(jì)算能力相結(jié)合，就不再需要笨重的購(gòu)物車。

第一個(gè)基于 MEMS 的硅超聲原型出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 90 年代中期，當(dāng)時(shí) MEMS 作為一項(xiàng)新技術(shù)的興奮度達(dá)到頂峰。這些早期傳感器的關(guān)鍵元件是振動(dòng)微機(jī)械膜，它使設(shè)備能夠產(chǎn)生振動(dòng)，就像敲擊鼓在空氣中產(chǎn)生聲波一樣。

出現(xiàn)了兩種架構(gòu)。其中一種稱為電容式微機(jī)械超聲波換能器（CMUT），因其簡(jiǎn)單的電容器狀結(jié)構(gòu)而得名。斯坦福大學(xué)電氣工程師 Pierre Khuri-Yakub 及其同事演示了第一個(gè)版本。

CMUT 基于電容器中的靜電力，該電容器由兩個(gè)由小間隙隔開的導(dǎo)電板形成。一塊板——前面提到的微加工膜——由硅或氮化硅制成，帶有金屬電極。另一種——通常是微機(jī)械加工的硅晶片基板——更厚、更堅(jiān)硬。當(dāng)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彎曲。當(dāng)添加振蕩電壓時(shí)，力就會(huì)改變，導(dǎo)致薄膜振動(dòng)，就像敲擊的鼓面一樣。

當(dāng)膜與人體接觸時(shí)，振動(dòng)將超聲波發(fā)送到組織中。產(chǎn)生或檢測(cè)到多少超聲波取決于膜和基底之間的間隙，該間隙需要在大約一微米或更小處進(jìn)行測(cè)量。微加工技術(shù)使這種精度成為可能。

另一種基于 MEMS 的架構(gòu)稱為 壓電微機(jī)械超聲換能器(PMUT)，其工作原理類似于煙霧報(bào)警器蜂鳴器的小型化版本。這些蜂鳴器由兩層組成：固定在其外圍的薄金屬盤和粘合在金屬盤頂部的薄且較小的壓電盤。當(dāng)電壓施加到壓電材料時(shí)，它的厚度以及從一側(cè)到另一側(cè)會(huì)膨脹和收縮。由于橫向尺寸更大，壓電盤直徑變化更顯著，并且在此過(guò)程中使整個(gè)結(jié)構(gòu)彎曲。在煙霧報(bào)警器中，這些結(jié)構(gòu)的直徑通常為 4 厘米，它們會(huì)產(chǎn)生大約 3 千赫茲的尖叫警報(bào)聲。當(dāng)膜的直徑縮小到 100 μm、厚度縮小到 5 到 10 μm 時(shí)，振動(dòng)會(huì)上升到兆赫頻率，使其可用于醫(yī)療超聲。

霍尼韋爾 (Honeywell) 在 20 世紀(jì) 80 年代初開發(fā)了第一批使用硅隔膜上的壓電薄膜的微機(jī)械傳感器。直到1996 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的材料科學(xué)家 Paul Muralt 的研究成果 才出現(xiàn)了第一批以超聲波頻率運(yùn)行的 PMUT 。

03CMUT 早年

CMUT 面臨的一大挑戰(zhàn)是讓它們產(chǎn)生足夠的壓力，將聲波發(fā)送到身體深處并接收返回的回聲。膜的運(yùn)動(dòng)受到膜與基底之間極小的間隙的限制。這限制了可以產(chǎn)生的聲波的幅度。將不同尺寸的 CMUT 設(shè)備陣列組合到單個(gè)探頭中以增加頻率范圍也會(huì)損害壓力輸出，因?yàn)樗鼫p少了每個(gè)頻率可用的探頭面積。

這些問(wèn)題的解決方案來(lái)自斯坦福大學(xué)的 Khuri-Yakub 實(shí)驗(yàn)室。在2000 年代初期的實(shí)驗(yàn)中 ，研究人員發(fā)現(xiàn)，增加 CMUT 類結(jié)構(gòu)上的電壓會(huì)導(dǎo)致靜電力克服膜的恢復(fù)力。結(jié)果，膜的中心塌陷到基底上。

塌陷的薄膜一開始似乎是災(zāi)難性的，但事實(shí)證明這是一種使 CMUT 更高效、更能適應(yīng)不同頻率的方法。由于接觸區(qū)域周圍的間隙非常小，從而增加了那里的電場(chǎng)，因此效率提高了。而且壓力增加是因?yàn)檫吘壷車拇蟓h(huán)形區(qū)域仍然具有良好的運(yùn)動(dòng)范圍。此外，只需改變電壓即可調(diào)節(jié)設(shè)備的頻率。反過(guò)來(lái)，這使得單個(gè) CMUT 超聲探頭能夠高效地產(chǎn)生醫(yī)療診斷所需的整個(gè)超聲頻率范圍。

從那時(shí)起，我們花了十多年的時(shí)間來(lái)理解和模擬 CMUT 陣列的復(fù)雜機(jī)電行為并解決制造問(wèn)題。對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行建模非常棘手，因?yàn)槊總€(gè) CMUT 陣列中都有數(shù)千個(gè)單獨(dú)的膜相互作用。

在制造方面，挑戰(zhàn)包括尋找合適的材料并開發(fā)生產(chǎn)光滑表面和一致間隙厚度所需的工藝。例如，分隔導(dǎo)電膜和基板的薄介電層必須以 1 μm 的厚度承受約 100 伏的電壓。如果該層有缺陷，則電荷可能會(huì)注入其中，并且器件可能會(huì)在邊緣處或當(dāng)膜接觸基板時(shí)短路，從而損壞器件或至少降低其性能。

不過(guò)，最終，荷蘭埃因霍溫的飛利浦工程解決方案公司和新竹的臺(tái)積電 (TSMC) 等 MEMS 代工廠開發(fā)出了這些問(wèn)題的解決方案。2010 年左右，這些公司開始生產(chǎn)可靠、高性能的 CMUT。

04PMUT 的早期開發(fā)

早期的 PMUT 設(shè)計(jì)也難以產(chǎn)生足夠的壓力來(lái)用于醫(yī)療超聲。但它們可能足以在某些消費(fèi)類應(yīng)用中發(fā)揮作用，例如 手勢(shì)檢測(cè)和接近傳感器。在這種“空中超聲波”用途中，帶寬并不重要，頻率可以低于 1 MHz。

2015 年，隨著用于手機(jī)指紋傳感的大型 2D 矩陣陣列的推出，用于醫(yī)療應(yīng)用的 PMUT 獲得了意想不到的提升。在這種方法的首次演示中，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 元件連接到 CMOS 電子器件，并將它們放置在硅橡膠類層下。當(dāng)指尖按在表面上時(shí)，原型會(huì)測(cè)量 20 MHz 反射信號(hào)的振幅，以區(qū)分指尖的脊和指尖之間的氣穴。

這是在硅芯片上集成 PMUT 和電子器件的令人印象深刻的演示，它表明大型 2D PMUT 陣列可以產(chǎn)生足夠高的頻率，可用于淺層特征的成像。但為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)療超聲領(lǐng)域的跨越，PMUT 技術(shù)需要更大的帶寬、更大的輸出壓力以及更高效率的壓電薄膜。

總部位于日內(nèi)瓦的ST 微電子 公司等半導(dǎo)體公司提供了幫助 ，該公司找到了如何將 PZT 薄膜集成到硅膜上的方法。這些薄膜需要額外的加工步驟來(lái)保持其特性。但性能的提高使得額外步驟的成本變得值得。

為了實(shí)現(xiàn)更大的壓力輸出，壓電層需要足夠厚，以使薄膜能夠承受良好的超聲圖像所需的高電壓。但厚度增加會(huì)導(dǎo)致膜變得更堅(jiān)硬，從而降低帶寬。

一種解決方案是使用橢圓形 PMUT 膜，該膜可有效地將多個(gè)不同尺寸的膜組合成一個(gè)。這類似于改變吉他弦的長(zhǎng)度來(lái)產(chǎn)生不同的音調(diào)。橢圓形膜以其窄截面和寬截面在同一結(jié)構(gòu)上提供多種長(zhǎng)度的串。為了以不同頻率有效地振動(dòng)膜的較寬和較窄部分，將電信號(hào)施加到放置在膜的相應(yīng)區(qū)域上的多個(gè)電極。這種方法使 PMUT 在更寬的頻率范圍內(nèi)保持高效。

05從學(xué)術(shù)界到現(xiàn)實(shí)世界

2000 年代初期，研究人員開始將用于醫(yī)學(xué)超聲的 CMUT 技術(shù)推向?qū)嶒?yàn)室并進(jìn)入商業(yè)開發(fā)。斯坦福大學(xué)針對(duì)這個(gè)市場(chǎng)成立了幾家初創(chuàng)公司。GE、飛利浦、三星和日立等領(lǐng)先的醫(yī)學(xué)超聲成像公司開始開發(fā) CMUT 技術(shù)并測(cè)試基于 CMUT 的探頭。

但直到2011年，CMUT商業(yè)化才真正開始取得進(jìn)展。那一年，一個(gè)具有半導(dǎo)體電子經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了蝴蝶網(wǎng)絡(luò)。2018 年 IQ Probe 的推出是一次變革性事件。它是第一個(gè)可以通過(guò) 2D 成像陣列對(duì)全身進(jìn)行成像并生成 3D 圖像數(shù)據(jù)的手持式超聲探頭。該探測(cè)器的大小與電視遙控器相當(dāng)，僅稍重一些，最初售價(jià)為 1,999 美元，是全尺寸推車式機(jī)器成本的二十分之一。

大約在同一時(shí)間，東京的日立公司和中國(guó)蘇州的 Kolo Medical（以前位于加利福尼亞州圣何塞）將基于 CMUT 的探頭商業(yè)化，用于傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)。但兩者都不具備與 Butterfly 相同的能力。例如，CMUT 和電子設(shè)備沒(méi)有集成在同一塊硅芯片上，這意味著探頭具有一維陣列而不是二維陣列。這限制了系統(tǒng)生成 3D 圖像的能力，而這在高級(jí)診斷中是必需的，例如確定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(biāo)志著用于醫(yī)療超聲的 PMUT 的商業(yè)首次亮相。Iris 由具有半導(dǎo)體電子和集成經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)，其尺寸和重量與 Butterfly 的 IQ Probe 大致相同。其 3,500 美元的價(jià)格與 Butterfly 最新型號(hào) IQ+ 的售價(jià) 2,999 美元相當(dāng)。

這些探頭中的超聲波 MEMS 芯片尺寸為 2 x 3 厘米，是最大的硅芯片之一，具有機(jī)電和電子功能。尺寸和復(fù)雜性給器件的均勻性和產(chǎn)量帶來(lái)了生產(chǎn)挑戰(zhàn)。

這些手持設(shè)備以低功耗運(yùn)行，因此探頭的電池重量輕，在設(shè)備連接到手機(jī)或平板電腦時(shí)可持續(xù)使用幾個(gè)小時(shí)，并且充電時(shí)間短。為了使輸出數(shù)據(jù)與手機(jī)和平板電腦兼容，探頭的主芯片執(zhí)行數(shù)字化以及一些信號(hào)處理和編碼。

為了提供 3D 信息，這些手持式探頭獲取多個(gè) 2D 解剖切片，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)和 AI 來(lái)構(gòu)建必要的 3D 數(shù)據(jù)。內(nèi)置的基于人工智能的算法還可以幫助醫(yī)生和護(hù)士將針精確地放置在所需位置，例如具有挑戰(zhàn)性的脈管系統(tǒng)或其他組織進(jìn)行活檢。

為這些探頭開發(fā)的人工智能非常好，以至于未受過(guò)超聲波培訓(xùn)的專業(yè)人員（例如護(hù)士助產(chǎn)士）可以使用便攜式探頭來(lái)確定胎兒的胎齡，其準(zhǔn)確度與經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的超聲波技師相似。NEJM Evidence 2022 年的一項(xiàng)研究 ?；谌斯ぶ悄艿墓δ苓€可以使手持式探頭在急診醫(yī)學(xué)、低收入環(huán)境以及醫(yī)學(xué)生培訓(xùn)方面發(fā)揮作用。

06MEMS 超聲波只是一個(gè)開始

這僅僅是小型化超聲波的開始。包括臺(tái)積電和意法半導(dǎo)體在內(nèi)的幾家全球最大的半導(dǎo)體代工廠現(xiàn)在分別在 300 毫米和 200 毫米晶圓上生產(chǎn) MEMS 超聲波芯片。

事實(shí)上，意法半導(dǎo)體最近在新加坡成立了一個(gè)專門用于薄膜壓電 MEMS 的“工廠實(shí)驗(yàn)室”，以加速?gòu)母拍铗?yàn)證到批量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。Philips Engineering Solutions為 CMUT-on-CMOS 集成提供 CMUT 制造，位于法國(guó)圖爾的Vermon提供商業(yè) CMUT 設(shè)計(jì)和制造。這意味著初創(chuàng)公司和學(xué)術(shù)團(tuán)體現(xiàn)在可以獲得基礎(chǔ)技術(shù)，從而以比 10 年前低得多的成本實(shí)現(xiàn)新的創(chuàng)新水平。

通過(guò)所有這些活動(dòng)，行業(yè)分析師預(yù)計(jì)超聲波 MEMS 芯片將集成到許多不同的醫(yī)療設(shè)備中，用于成像和傳感。例如，Butterfly Network 與 Forest Neurotech合作，正在開發(fā)用于腦機(jī)接口和神經(jīng)調(diào)節(jié)的 MEMS 超聲波。其他應(yīng)用包括長(zhǎng)期、低功耗可穿戴設(shè)備，例如心臟、肺和大腦監(jiān)視器，以及康復(fù)中使用的肌肉活動(dòng)監(jiān)視器。

未來(lái)五年，預(yù)計(jì)將出現(xiàn)采用超聲波 MEMS 芯片的微型無(wú)源醫(yī)療植入物，其中使用超聲波遠(yuǎn)程傳輸電力和數(shù)據(jù)。最終，這些手持式超聲探頭或可穿戴陣列不僅可以用于解剖結(jié)構(gòu)成像，還可以讀取生命體征，例如由于腫瘤生長(zhǎng)或手術(shù)后深部組織氧合導(dǎo)致的內(nèi)部壓力變化。有一天，類似指紋的超聲波傳感器可以用來(lái)測(cè)量血流量和心率。

有一天，可穿戴或植入式版本可能會(huì)在我們睡覺(jué)、吃飯和生活時(shí)生成被動(dòng)超聲圖像。

審核編輯 黃宇