一種基于壓電聚合物熱壓印的箔上超聲換能器技術(shù)—PillarWave

隨著微電子和人工智能（AI）的巨大進(jìn)步，超聲探頭已成為超聲在臨床環(huán)境之外（例如家庭和監(jiān)控應(yīng)用）進(jìn)一步應(yīng)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(tǒng)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(guān)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(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究院（TNO）、Radboud大學(xué)醫(yī)學(xué)中心、特溫特大學(xué)（Twente University）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)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(shù)——PillarWave，獲得了組織模擬體模的高質(zhì)量二維超聲圖像。通過將其功能集成到半徑為3 mm的內(nèi)窺鏡探頭和大面積（91.2 mm × 14 mm）無創(chuàng)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(jī)械柔性和有效面積可擴(kuò)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(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（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(gè)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(shù)

該超聲換能器的總厚度約為100 μm，由于其陣列的柱狀結(jié)構(gòu)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(gè)包裹在球囊導(dǎo)管上的換能器，旨在血管內(nèi)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(dòng)脈血壓測(cè)量。機(jī)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(duì)大面積圓形超聲換能器單元進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖2所示。

圖2 超聲換能器單元的表征

圍繞6 mm內(nèi)窺鏡探頭彎曲時(shí)的脈沖-回波測(cè)量

研究人員使用上述制造工藝制造了針對(duì)頸動(dòng)脈超聲成像優(yōu)化的線性超聲換能器陣列。該陣列由獨(dú)立的并行發(fā)射和接收孔徑構(gòu)成，每個(gè)孔徑有64個(gè)單元。每個(gè)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(cè)量的，如圖3所示。這些測(cè)量結(jié)果表明，超聲換能器陣列在強(qiáng)烈彎曲的同時(shí)仍能在脈沖-回波模式下繼續(xù)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(cè)得的峰值發(fā)射傳輸與超聲換能器表面位置的函數(shù)關(guān)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(duì)組織模擬體模進(jìn)行高分辨率成像

用于血壓監(jiān)測(cè)應(yīng)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(shù)的大面積可擴(kuò)展性，研究人員實(shí)現(xiàn)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(cuò)排列的32個(gè)換能器單元構(gòu)成。每個(gè)換能器單元的尺寸為1.6 mm × 3.2 mm并由大約2365個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。陣列的設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，以確保發(fā)射和接收單元的至少一種組合相對(duì)于頸動(dòng)脈處于最佳位置（即，聲束將橫切頸動(dòng)脈中心），而與患者的頭部運(yùn)動(dòng)無關(guān)。如圖1f所示，大約10 cm長(zhǎng)的陣列很好地貼合了人體頸部的形狀。這對(duì)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(yīng)人類頸部的曲線形狀而不得不施加過大的壓力，因此會(huì)導(dǎo)致較差的聲學(xué)耦合效果。

圖5b中所示的測(cè)量結(jié)果表明95%的超聲換能器單元正在工作，峰值傳遞函數(shù)變化50%（發(fā)射：0.6–1.3 kPa/V，接收：50–100 μV/Pa）。該陣列在自制的體外頸動(dòng)脈體模上進(jìn)行了測(cè)試。研究人員通過將前后壁的回波隨時(shí)間相互關(guān)聯(lián)來追蹤頸動(dòng)脈血管壁。隨后，利用血壓傳感器校準(zhǔn)將所得血管直徑轉(zhuǎn)換為血壓波形，見圖5c。從中可以觀察到測(cè)得壓力和參考?jí)毫χg的高度一致性：差異小于5%。圖5d顯示了頸動(dòng)脈的體內(nèi)數(shù)據(jù)，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(xiàng)研究報(bào)道了一種適用于大面積可穿戴超聲應(yīng)用的柔性換能器技術(shù)。該技術(shù)基于P(VDF-TrFE)微結(jié)構(gòu)化薄膜，其厚度僅為約80 μm。柱狀結(jié)構(gòu)可降低聲學(xué)串?dāng)_。與非結(jié)構(gòu)化P(VDF-TrFE)薄膜相比，它還提高了機(jī)械柔性。P(VDF-TrFE)的低聲阻抗可實(shí)現(xiàn)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(shù)的潛力在三個(gè)應(yīng)用中得到了展示，每個(gè)應(yīng)用都顯示了PillarWave技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)——內(nèi)窺鏡超聲（EUS）換能器在3 mm的小半徑上機(jī)械彎曲時(shí)仍能保持功能；頸動(dòng)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(kuò)展的潛力。所提出的柔性換能器技術(shù)有望擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)相關(guān)超聲頻率的整個(gè)范圍（1~60?MHz）。此外，該制造技術(shù)基于大面積制造工藝，避免了復(fù)雜的組裝技術(shù)。

本文所提出的柔性大面積超聲換能器技術(shù)主要針對(duì)可穿戴超聲應(yīng)用。最初，這些應(yīng)用可能主要在診所內(nèi)。然而，醫(yī)療超聲在診所以外的應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn)，例如全科醫(yī)生的預(yù)防性檢查、（極限）運(yùn)動(dòng)中的監(jiān)測(cè)或家庭環(huán)境中的監(jiān)測(cè)（如孕婦）等。高性能、低成本、可擴(kuò)展性、柔性和無鉛組件的結(jié)合使得這項(xiàng)技術(shù)非常適用于這些新應(yīng)用。

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

審核編輯：劉清