功率放大器應(yīng)用：超聲波換能器從材料策略到生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

超聲換能器作為功率放大器可驅(qū)動的主要負(fù)載類型之一，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率，在工業(yè)制造、生物醫(yī)療、材料測試等眾多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，本次Aigtek安泰電子就給大家分享一篇關(guān)于超聲換能器應(yīng)用的綜述文章，希望能對各位業(yè)內(nèi)工程師的研究提供一些思路。

醫(yī)用超聲以其安全、低成本、便捷等獨特優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超聲換能器作為超聲系統(tǒng)的核心部件，在系統(tǒng)應(yīng)用中扮演著極其重要的角色。為了滿足精準(zhǔn)醫(yī)療的需求，如何進(jìn)一步提高超聲換能器的性能是其面臨的主要挑戰(zhàn)。2022年，華中科技大學(xué)的朱本鵬教授聯(lián)合美國南加州大學(xué)的世界著名超聲領(lǐng)域?qū)＜襅.KirkShung教授在蘇州醫(yī)工所創(chuàng)辦的學(xué)術(shù)期刊《生物醫(yī)學(xué)工程前沿（BMEF）》上發(fā)表了題為“RecentAdvancementsinUltrasoundTransducer:FromMaterialStrategiestoBiomedicalApplications”的綜述文章，總結(jié)了近期壓電和光致超聲換能器研究的最新發(fā)展動態(tài)，主要涉及材料選擇、器件設(shè)計和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等，其中醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括超聲成像、超聲治療、粒子/細(xì)胞操作、藥物遞送和神經(jīng)刺激等（圖1）。

圖1壓電/光致超聲換能器研究策略示意圖

論文作者首先從電聲和光聲轉(zhuǎn)換兩種方式對超聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了討論。傳統(tǒng)的超聲波發(fā)生裝置是基于壓電式換能器，通過將電能轉(zhuǎn)換為振動，從而產(chǎn)生超聲波。壓電式換能器作為一種電驅(qū)動裝置，通常具有三層結(jié)構(gòu)，即壓電層、背襯層和匹配層（圖2（a））。用于超聲換能器制造的壓電材料包括含鉛材料和無鉛材料，其性能表征參數(shù)主要包括壓電系數(shù)（d33）和機(jī)電耦合系數(shù)（kt）。

作為壓電換能器的重要補充，光聲換能器因其抗電磁干擾、制作工藝簡單等特性而備受關(guān)注。其原理是基于貝爾在1880年發(fā)現(xiàn)的光聲效應(yīng)，即將脈沖激光轉(zhuǎn)換為超聲波。光聲換能器的核心部分是光聲材料，通常包括光吸收材料和熱膨脹材料（圖2（b））。光吸收材料通過非輻射躍遷機(jī)制實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換（DT），包括金屬薄膜、碳納米材料和鈣鈦礦等。同時，基于熱彈性原理，熱膨脹材料通過周期性熱膨脹發(fā)射超聲波（P）。導(dǎo)熱系數(shù)作為光聲材料的重要性能參數(shù)，直接影響光吸收材料和熱膨脹材料之間的傳熱，進(jìn)而影響光聲能量轉(zhuǎn)換效率和頻率。一般而言，光聲換能器的理想熱膨脹材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS），因為其熱膨脹系數(shù)高、比熱容低、透明度高。

圖2（a）壓電換能器和（b）光聲換能器的原理示意圖

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，壓電換能器主要應(yīng)用于醫(yī)療成像、聲鑷和植入式治療監(jiān)測設(shè)備等。對于醫(yī)療成像，主要包括血管內(nèi)超聲（IVUS）成像、內(nèi)臟內(nèi)窺鏡超聲成像（EUS）、超聲生物顯微鏡等（圖3）。由于IVUS能夠直接成像血管壁，可以準(zhǔn)確評估管腔大小、斑塊特征和鈣含量，使其成為心血管疾病診斷的重要工具，已廣泛應(yīng)用于臨床診斷。EUS作為一種診斷成像方法，其原理是利用超聲波獲取人體內(nèi)部器官的圖像，如胸部、腹部和結(jié)腸等，從而顯示器官壁和周圍結(jié)構(gòu)。超聲生物顯微鏡的成像距離相對較深，視野較大，無論可疑病變是在光學(xué)透明還是不透明介質(zhì)中都具有較好的效果，已用于實時疾病診斷。

圖3壓電超聲成像應(yīng)用：（a）用于動脈粥樣硬化斑塊成像的超快IVUS-OCT系統(tǒng)；（b）用于IVUS成像的雙元件聚焦換能器；（c）雙模態(tài)光聲和超聲內(nèi)鏡成像；（d）用于豬腸二維和三維內(nèi)窺鏡成像的圓形陣列；（e）用于斑馬魚眼生物顯微鏡成像的超高頻超聲換能器；（f）視網(wǎng)膜層的ARF-OCE圖像

與光鑷、電鑷和磁鑷相比，聲鑷對生物體具有無創(chuàng)特性，適用于大多數(shù)微粒。聲鑷能夠通過聲輻射力，使各種尺寸和材料的顆粒懸浮在空氣和水中。如圖4所示，單光束聲鑷（SBAT）具有顯著的捕獲力和高穿透深度，早已成為一種很有前途的微粒操作手段，在體內(nèi)和臨床應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。此外，研究人員還開發(fā)了植入壓電換能器，用以破壞血腦屏障，促進(jìn)藥物進(jìn)入大腦。

圖4聲鑷應(yīng)用：（a）SBAT聚焦環(huán)形超聲換能器；（b）特定尺寸微球或細(xì)胞的SBAT操縱；（c）單個細(xì)胞操作的自聚焦超聲換能器；（d）用于操縱一定尺寸范圍微粒的單元件超聲換能器；（e）用于操縱DNA質(zhì)粒和mRNA的高頻聲鑷

光聲換能器在生物醫(yī)學(xué)方面同樣有著廣泛的應(yīng)用，主要包括全光型超聲成像（圖5）、超聲手術(shù)、藥物遞送和神經(jīng)刺激等。光聲換能器可以產(chǎn)生峰值壓力為MPa級的高頻脈沖超聲，在高質(zhì)量及高分辨的組織成像應(yīng)用中具有巨大潛力。同時，全光型超聲成像具有體積小、成本低、抗電磁干擾等優(yōu)勢。

圖5全光型超聲成像應(yīng)用：（a）體外人體淋巴結(jié)的超聲成像；（b）用于心臟運動檢測的超聲系統(tǒng)；（c）IVUS成像的超聲技術(shù)；（d）用于魚眼成像的全光超聲成像系統(tǒng)

通過應(yīng)用光聲透鏡，在凹面上涂覆光聲復(fù)合材料以產(chǎn)生聚焦超聲（LGFU），使得光聲換能器的聲壓得到了極大的提高。研究人員已經(jīng)使用高強度光致超聲進(jìn)行了超聲溶栓、碎石治療、藥物釋放、高精度空化切割等探索。此外，光致超聲神經(jīng)刺激作為一種新興的神經(jīng)調(diào)節(jié)方式，隨著對活體動物的研究，未來有望將光致超聲應(yīng)用于人體的神經(jīng)調(diào)節(jié)和大腦刺激（圖6）。

圖6光聲醫(yī)學(xué)其他治療應(yīng)用：（a）LGFU對固體材料的微尺度碎片；（b）光聲換能器用于溶栓；（c）光聲換能器用于切割組織；（d）光聲換能器用于微粒運動控制；（e）光聲換能器用于藥物輸送；（f）光聲換能器用于神經(jīng)元刺激；（g）光聲納米換能器用于靶向神經(jīng)調(diào)節(jié)；（h）光聲換能器用于單個神經(jīng)元刺激

眾所周知，超聲換能器的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計對其聲學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響，實現(xiàn)性能優(yōu)良的新材料研制以及和聲學(xué)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是超聲換能器不斷發(fā)展的兩大永恒主題。為了促進(jìn)超聲換能器在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，實現(xiàn)超聲換能器的小型化封裝、陣列化設(shè)計和多功能集成是其重要發(fā)展趨勢。此外，3D打印、柔性電子和人工智能等新技術(shù)的不斷涌入也有望為傳感器設(shè)計帶來創(chuàng)新概念。

以上文章來源于生物醫(yī)學(xué)工程前沿，作者BMEF編輯部

ATA-4052C高壓功率放大器

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審核編輯 黃宇