一种基于压电聚合物热压印的箔上超声换能器技术—PillarWave

随着微电子和人工智能（AI）的巨大进步，超声探头已成为超声在临床环境之外（例如家庭和监控应用）进一步应用的瓶颈。如今，超声换能器孔径小、体积大、含铅且制造成本昂贵。此外，传统的超声换能器是刚性的，这限制了其与柔性皮肤贴片的集成。因此，制造柔性超声贴片的新方法最近引起了人们的广泛关注。首批原型通常使用类似的含铅压电材料，并通过在塑料或橡胶类衬底上微组装刚性有源元件来制造。

据麦姆斯咨询报道，近日，荷兰国家应用科学研究院（TNO）、Radboud大学医学中心、特温特大学（Twente University）的研究人员组成的团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Flexible large-area ultrasound arrays for medical applications made using embossed polymer structures”的论文，提出了一种基于压电聚合物热压印的箔上超声换能器技术——PillarWave，获得了组织模拟体模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（91.2 mm × 14 mm）无创血压传感器中，研究人员展示了所提出的P(VDF-TrFE)超声换能器的机械柔性和有效面积可扩展性。

在薄而柔性的塑料衬底上制备P(VDF-TrFE)超声换能器

大约40 μm厚的P(VDF-TrFE)薄膜被层压在一个含有薄底部电极的聚酰亚胺衬底（厚度14 μm）上。这种P(VDF-TrFE)薄膜通过PDMS印模热压印被结构化，在约10 μm的残留P(VDF-TrFE)薄膜顶部形成了均匀的高度为70 μm的柱状结构（图1a）。压印步骤之后，第二层约10 μm的P(VDF-TrFE)薄膜被层压在顶部，为图案化顶部电极的沉积提供了一个平坦的表面（图1b）。所制造的超声换能器的横截面如图1c所示。

图1 PillarWave超声换能器技术

该超声换能器的总厚度约为100 μm，由于其阵列的柱状结构和不含陶瓷层，超声换能器本身是可弯曲的（图1d）。图1e显示了一个包裹在球囊导管上的换能器，旨在血管内使用。在图1f中，超声换能器阵列直接附着在人体（即颈部）上，用于颈动脉血压测量。机械柔性和低重量也使其佩戴舒适。

超声换能器单元的表征

第一步，研究人员对大面积圆形超声换能器单元进行了表征，结果如图2所示。

图2 超声换能器单元的表征

围绕6 mm内窥镜探头弯曲时的脉冲-回波测量

研究人员使用上述制造工艺制造了针对颈动脉超声成像优化的线性超声换能器阵列。该阵列由独立的并行发射和接收孔径构成，每个孔径有64个单元。每个孔径的尺寸为11.5 mm× 2.5 mm，单元间距为180 μm。其性能是使用水听器装置在水中测量的，如图3所示。这些测量结果表明，超声换能器阵列在强烈弯曲的同时仍能在脉冲-回波模式下继续工作。

图3 128-单元柔性聚合物超声换能器阵列的表征

128-单元线性超声换能器阵列的高分辨率成像

图4b显示了在8.2 MHz处测得的峰值发射传输与超声换能器表面位置的函数关系。图4c显示了使用模拟组织体模（040GSE，CIRS，Norfolk，弗吉尼亚州，美国）获得的典型超声B模式图像。

图4 使用128-单元柔性聚合物超声换能器阵列对组织模拟体模进行高分辨率成像

用于血压监测应用的大孔径超声换能器阵列（91.2  mm × 14 mm）

为了展示提出的超声换能器技术的大面积可扩展性，研究人员实现了具有91.2 mm × 14 mm超大有效孔径的换能器阵列（图5a）。该阵列由四排交错排列的32个换能器单元构成。每个换能器单元的尺寸为1.6 mm × 3.2 mm并由大约2365个柱状结构构成。阵列的设计经过优化，以确保发射和接收单元的至少一种组合相对于颈动脉处于最佳位置（即，声束将横切颈动脉中心），而与患者的头部运动无关。如图1f所示，大约10 cm长的阵列很好地贴合了人体颈部的形状。这对于刚性超声换能器来说是不可能的。由于其刚性表面无法适应人类颈部的曲线形状而不得不施加过大的压力，因此会导致较差的声学耦合效果。

图5b中所示的测量结果表明95%的超声换能器单元正在工作，峰值传递函数变化50%（发射：0.6–1.3 kPa/V，接收：50–100 μV/Pa）。该阵列在自制的体外颈动脉体模上进行了测试。研究人员通过将前后壁的回波随时间相互关联来追踪颈动脉血管壁。随后，利用血压传感器校准将所得血管直径转换为血压波形，见图5c。从中可以观察到测得压力和参考压力之间的高度一致性：差异小于5%。图5d显示了颈动脉的体内数据，从中清楚得观察到明显的血管壁回波。

图5 大面积柔性超声血压传感器

综上所述，这项研究报道了一种适用于大面积可穿戴超声应用的柔性换能器技术。该技术基于P(VDF-TrFE)微结构化薄膜，其厚度仅为约80 μm。柱状结构可降低声学串扰。与非结构化P(VDF-TrFE)薄膜相比，它还提高了机械柔性。P(VDF-TrFE)的低声阻抗可实现大频率带宽和高轴向分辨率，而无需匹配层或背衬层。该技术的潜力在三个应用中得到了展示，每个应用都显示了PillarWave技术的独特优势——内窥镜超声（EUS）换能器在3 mm的小半径上机械弯曲时仍能保持功能；颈动脉B模式成像显示出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。所提出的柔性换能器技术有望扩展到医学相关超声频率的整个范围（1~60 MHz）。此外，该制造技术基于大面积制造工艺，避免了复杂的组装技术。

本文所提出的柔性大面积超声换能器技术主要针对可穿戴超声应用。最初，这些应用可能主要在诊所内。然而，医疗超声在诊所以外的应用也在不断涌现，例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）等。高性能、低成本、可扩展性、柔性和无铅组件的结合使得这项技术非常适用于这些新应用。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47074-1

审核编辑：刘清