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　　医疗超声设备正在发生惊人的变化。长期以来，先进的超声设备一直被放在手推车上推来推去，上面挂着各种各样的线和探头，现在它们即将被永久地推放到一边，取而代之的是能够向手机发送影像的手持式探头。

　　这些设备小到足以放进白大褂的口袋里，只需一个探头即可灵活地对身体的任何部位进行扫描成像，从深层器官到浅层静脉，呈现出全3D视图。同时，结合人工智能，这些设备可以在各种环境下由未经训练的专业人员操作，而不仅限于受过培训的超声医师。

　　2018年，位于美国马萨诸塞州伯灵顿的蝴蝶网络（Butterfly Network）公司推出了首款这种小型手持式超声探头。2023年9月，加州圣克拉拉的Exo Imaging公司推出了一款能够与之相竞争的版本。

　　让这一切成为可能的是硅超声技术：在一块2厘米×3厘米的硅芯片上，应用微机电系统（MEMS），塞入4000至9000个换能器（将电信号和声波相互转换的器件）。通过在单块芯片上集成微机电系统换能器技术和复杂的电子器件，这些扫描仪不仅能够重现传统成像质量和3D测量值，还开辟了以前不可能实现的新应用。

　　了解超声技术的基础知识，有助于理解研究人员如何实现这一成果。超声探头用换能器将电能转换为声波，声波穿入，遇到身体的软组织时会反射回来，由探头接收到回波。然后，换能器将反射回来的声波转换为电信号，计算机将数据转换为可以在屏幕上看到的影像。

　　传统的超声探头包含由压电晶片或锆钛酸铅（PZT）等陶瓷片制成的换能器阵列。受到电脉冲冲击时，这些晶片或陶瓷片会膨胀和收缩，产生在内部反射的高频。

　　为了帮助成像，需要传播到换能器外，进入患者体内的软组织和体液。这不是一项简单的任务。捕捉这些声波的回声就像站在泳池边上，试图听到水下的人说话一样。因此，换能器阵列采用了多层材料，从探头中心坚硬的压电晶体平滑过渡到身体软组织。

　　传送到身体中的能量频率主要由压电层的厚度决定。较薄的压电层传送的频率较高，在超声影像中能够看到更小、分辨率更高的特征，但只能看到身体的浅层部位。较厚的压电材料传送的频率较低，它可以进一步深入，但分辨率较低。

　　因此，对身体不同的部位进行成像，需要几种类型的超声探头，频率范围在1到10兆赫。为了对身体深处的大型器官或子宫中的婴儿进行成像，医生使用1至2兆赫的探头，该探头的分辨率为2至3毫米，可深入体内30厘米。为了对颈动脉中的血流进行成像，医生通常使用8到10兆赫的探头。

　　需要多个探头，以及缺少小型化，这意味着传统的医疗超声系统要放置在一个沉重的箱式机器中，必须用手推车推着才能到处走。引入微机电系统技术改变了这一状况。

　　在过去30年里，制造商已利用微机电系统为许多行业制造出微观尺度、极其敏感的精密元件（参见《不止能打印纸张的喷墨打印机》）。这一进步可制造出产生1至10兆赫的全范围频率的高密度换能器阵列，只用一个探头便可对内各种深度的组织进行成像。微机电系统技术也有助于缩小其他组件，使所有组件都能适合手持探头。再加上智能手机的计算能力，就无需笨重的手推车了。

　　第一批基于微机电系统的硅超声原型机出现在20世纪90年代中期，那时令人兴奋的微机电系统作为一种新技术达到顶峰。这类早期换能器的关键元件是振动微机械薄膜，设备通过振动的方式产生声波，如同在空气中敲鼓的方式一样。

　　由此出现了两种架构。其中一种叫做“电容式微机械超声换能器”（CMUT），因类似电容器的简单结构而得名。斯坦福大学电气工程师皮埃尔•库里-雅各布（Pierre Khuri-Yakub）及其同事展示了首批CMUT设备。

　　CMUT以电容器中的静电力为基础，电容器由两片有一定间隙的导电板构成。其中一块导电板（即前文提到的微机械薄膜）由硅或氮化硅制成，带有金属电极；另一块通常是更厚、更坚硬的微机电系统硅晶片衬底。当施加电压时，相反的电荷被放置到膜和衬底上，吸引力会将膜拉向衬底并使其弯曲。当施加振荡电压时，静电力会发生变化，导致薄膜振动，就像敲击鼓面一样。

　　当薄膜与接触时，振动会将超声频率波传送到组织中。能够产生或探测到多少取决于膜和衬底之间的间隙，该间隙不能超过1微米。微机电系统技术使这种精度成为可能。

　　另一种基于微机电系统技术的架构被称为“压电微机械超声换能器”（PMUT），其工作原理与微型烟雾报警蜂鸣器类似。这些蜂鸣器有两层结构：一层是固定在外围的薄金属盘，另一层是粘在金属盘顶部的薄而小的压电盘。当向压电材料施加电压时，它的厚度会反复发生膨胀和收缩。由于横向尺寸大得多，所以压电盘直径的变化更加显著，并在此过程中弯曲整个结构。在烟雾报警器中，这些结构的直径通常为4厘米，它们产生的报警声频率大约为3千赫兹。当膜的直径缩小到100微米、厚度为5到10微米时，振动频率上升到兆赫，可用于医疗超声。

　　20世纪80年代初，霍尼韦尔在硅膜片上开发出第一款压电薄膜的微机电系统传感器。直到1996年，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的材料科学家保罗•缪拉尔特（Paul Muralt）才制作出第一款频率的PMUT设备。

　　CMUT面临的一大挑战是如何才能产生足够的压力，将声波传送到身体深处并接收返回的回声。薄膜和衬底之间的极小间隙限制了薄膜的运动，进而限制了产生声波的振幅。将不同尺寸的CMUT设备阵列组合到单个探头中也可以扩大频率范围，进而减少压力输出，因为每组频率可用探头面积减 小了。

　　库里-雅各布在斯坦福大学的实验室解决了这些问题。21世纪初，该实验室的研究人员在实验中发现，如果加大类CMUT结构上的电压，静电力会超过薄膜的回复力，导致薄膜的中心塌陷到衬底上。

　　起初，薄膜塌陷似乎是非常失败的，但后来证明，这种方法既可以提高CMUT效率，还有助于调节设备适应不同频率。提高效率是因为接触区域周围的间隙非常小，可以增强那里的电场；压力增加是因为在边缘的较大环形区域仍然有很大的活动范围。此外，只需简单地改变电压即可调节设备的频率。这使单个CMUT超声探头能够高效地产生医疗诊断所需的超声频率范围。

　　从那时起，人们花了十几年的时间来理解和模拟CMUT阵列复杂的机电行为并完成制造。模拟这些设备的过程较为棘手，因为每个CMUT阵列中都有数千个独立的薄膜在相互作用。

　　在制造方面，挑战包括寻找合适的材料，以及开发生产光滑表面和确保间隙厚度一致所需的工艺。例如，分隔导电膜和衬底的薄介电层必须在1微米的厚度下承受约100伏的电压。如果该介电层有缺陷，电荷可能会注入，设备可能会在边缘短路，或者在导电膜接触衬底时短路，导致设备损坏或者性能降低。

　　不过，最终，荷兰埃因霍温的飞利浦工程解决方案公司和中国新竹的积体电路制造公司（简称台积电）等微机电系统代工厂开发出了解决这些问题的方案。大约在2010年，这些公司开始生产可靠、高性能的CMUT。

　　早期的PMUT设计也很难产生足够的压力来用于医疗超声。但它们可以在一些消费者应用中发挥作用，比如手势检测传感器和距离传感器。在这类“空中超声”应用中，带宽不是关键，而且频率可以低于1兆赫。

　　2015年，用于手机指纹传感的大型2D矩阵阵列的推出，意想不到地推动了PMUT在医疗方面的应用。在这种方法的首次演示中，美国加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校的研究人员将大约2500个PMUT元件连接到金属氧化物半导体（CMOS）电子设备上，并将其置于一个类似硅橡胶层的下面。当指尖按压表面时，这款原型机会以20兆赫的频率测量反射信号的振幅，识别指纹的嵴和嵴间的沟。

　　这次在硅芯片上集成PMUT和电子器件的演示令人印象深刻，它表明大型2D PMUT阵列可以产生足够高的频率用于浅层特征的成像。但是，为了实现向医疗超声的飞跃，PMUT技术需要更大的带宽、更大的输出压力和更高效率的压电薄膜。

　　一些半导体公司提供了帮助，例如总部位于日内瓦的意法半导体等，它们找到了在硅膜上集成锆钛酸铅薄膜的方法。要保持这些锆钛酸铅薄膜的性能，还需要额外的加工步骤。但是提高性能值得花费成本、增加这些额外步骤。

　　为了实现更大的压力输出，压电层需要足够厚，才能使薄膜承受高电压，产出良好的超声影像。但是增加厚度会导致膜僵硬，使带宽减小。

　　一种解决方案是使用椭圆形PMUT膜，它将几个不同尺寸的膜有效结合成了一个。这类似于改变吉他弦的长度来产生不同的音调。椭圆形膜的不同部位宽窄有别，所以可以在同一个结构上提供多种长度的弦。为了膜的宽窄部分以不同频率有效振动，该解决方案对放置在膜的相应区域的多个电极施加电信号。这种方法使PMUT可在更宽的频率范围内有效工作。

　　21世纪初，研究人员开始推动医疗超声CMUT技术走出实验室，实现商业开发。斯坦福大学衍生出了几家初创公司，瞄准这一市场。通用电气、飞利浦、三星和日立等领先的医疗超声影像公司也开始开发CMUT技术和测试CMUT探头。

　　但直到2011年，CMUT的商业化才真正开始取得进展。那一年，一个拥有半导体电子经验的团队创立了蝴蝶网络。2018年推出的IQ探头成为一个变革性的技术事件：这是第一款可以利用2D成像阵列对全身成像，并生成3D影像数据的手持式超声探头。这款探头的大小和电视遥控器差不多，只是稍重一点，最初定价为1999美元，是全尺寸手推车式超声设备价格的1/20。

　　大约在同一时间，日本东京的日立公司和中国的珂纳医疗科技(苏州)有限公司将CMUT探头商业化，用于传统超声系统。但这两家公司的产品性能都不及蝴蝶网络公司的产品。例如，CMUT和电子器件没有集成在同一块硅片上，这意味着探头采用的是1D阵列而不是2D阵列，这一限制使得该系统不能生成3D影像，而3D影像是高级诊断所必需的，例如查明膀胱容量或查看心脏的同步正交视图。

　　2023年9月，Exo Imaging推出手持探头Exo Iris，标志着PMUT医疗超声设备的首次商业亮相。Exo Iris由一个在半导体电子和集成领域拥有丰富经验的团队开发，其大小和重量与蝴蝶网络的IQ探头差不多。其价格为3500美元，而蝴蝶网络最新型号IQ+的价格为2999美元，前者并没有高出太多。

　　这些探头中的微机电系统超声芯片的尺寸为2厘米×3厘米，是具有机电和电子功能的大型硅芯片之一。其尺寸和复杂性带来了产品一致性和良品率方面的生产挑战。

　　这些手持设备的运行功耗较低，探头电池的重量比较轻，与手机或平板电脑相连时，设备可连续使用几个小时，并且充电时间短。为了使输出数据与手机和平板电脑相兼容，探头的主芯片实现了数字化，并进行了信号处理和编程。

　　为了提供3D信息，这些手持探头可扫描组织结构的多个2D切片，然后利用机器学习和人工智能构建必要的3D数据。内置的人工智能算法还可以帮助医护人员将针头精确地放在目标位置，例如难以找到的脉管系统或其他需要活检的组织。

　　《新英格兰医学杂志》子刊《NEJM循证医学》（NEJM Evidence）2022年的一项研究显示，针对这些探头开发的人工智能功能非常好，未经超声培训的专业人员（如助产士）也可以使用便携式探头来确定胎儿的孕周，准确度与受过培训的超声医生相似。基于人工智能的功能还可以使手持探头用于急救医学、低收入环境和医学学生培训。

　　这仅仅是小型超声设备的开始。包括台积电和意法半导体在内的几家全球最大的半导体代工厂现在正分别在300毫米和200毫米的晶圆上生产微机电系统超声芯片。

　　事实上，意法半导体最近在新加坡成立了一个专门的薄膜压电微机电系统生产实验室Lab-in-Fab，加速从概念验证向批量生产过渡；飞利浦工程解决方案公司为CMUT-on-CMOS集成制造CMUT；位于法国图尔的Vermon公司设计和制造商业CMUT。这意味着初创公司和学术团体现在可获得基础技术，实现更高水平的创新，而且成本比十年前低得多。

　　伴随着这些进展，行业分析师预计微机电系统超声芯片将被集成到许多不同的医疗设备中，用于成像和传感。例如，蝴蝶网络与Forest Neurotech在合作开发用于脑机接口和神经调节的微机电系统超声设备。其他应用包括可长期穿戴的低功耗设备，如心脏、肺和大脑监护仪，以及用于康复治疗的肌肉活动监测仪。

　　未来5年，我们有望看到带有微机电系统超声芯片的微型无源医疗植入物，使用远程驱动电力和数据传送。最终，这些手持式超声探头或可穿戴阵列不仅可用于组织结构影像，还可以读取生命体征，如肿瘤生长或手术后深层组织氧化引起的内压变化等。类似指纹的传感器还可以用来测量血流和心率。