醫(yī)療超聲范疇正在發(fā)生驚人的改動，正在醫(yī)院和醫(yī)師辦公室中展開。歷史悠久、的超聲波機器被推在推車上，懸掛著電纜和多個探頭，現(xiàn)在正被永久推到一邊，取而代之的是可將圖畫發(fā)送到手機的手持探頭。

這些設(shè)備滿足小，能夠放入試驗室外套口袋中，而且滿足靈敏，能夠?qū)ι眢w的任何部位（從深部器官到淺靜脈）進行成像，并供給全面的 3D 視圖，所有這些都只需一個探頭即可完成。隨同它們的人工智能或許很快就會使未經(jīng)練習的人員在任何環(huán)境下都能夠操作這些設(shè)備，而不只僅是診所中練習有素的超聲檢查人員。

個此類小型手持式超聲探頭于 2018 年上市，來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推出了競爭版別。

讓這一切成為或許的是硅超聲技能，該技能運用一種微機電體系 (MEMS) 構(gòu)建，將 4,000 到 9,000 個傳感器（將電信號轉(zhuǎn)換為聲波并再次轉(zhuǎn)換回來的設(shè)備）填充到 2 x 3 厘米的硅芯片上。經(jīng)過將 MEMS 傳感器技能與復(fù)雜的電子器材集成在單個芯片上，這些掃描儀不只能夠仿制傳統(tǒng)成像和 3D 測量的質(zhì)量，而且還拓荒了曾經(jīng)不或許的新運用。

超聲波怎么作業(yè)？

要了解研究人員怎么完成這一豪舉，了解超聲波技能的基礎(chǔ)知識會很有協(xié)助。超聲波探頭運用換能器將電能轉(zhuǎn)換為穿透身體的聲波。聲波從身體的軟安排反彈并回波回探頭。然后傳感器將回聲聲波轉(zhuǎn)換為電信號，計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠在屏幕上查看的圖畫。

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。當遭到電脈沖碰擊時，這些板會脹大和縮短，并發(fā)生在其內(nèi)部反彈的高頻超聲波。

為了對成像有用，超聲波需求從平板傳播到患者身體的軟安排和體液中。這不是一項簡略的使命。捕捉這些波濤的回聲就像站在游泳池旁邊試圖聽到有人在水下說話相同。因而，換能器陣列由多層資料構(gòu)成，這些資料的剛度從探頭的硬壓電晶體平滑過渡到身體的軟安排。

傳輸?shù)襟w內(nèi)的能量的頻率主要由壓電層的厚度決議。更薄的層傳輸更高的頻率，這使得在超聲圖畫中能夠看到更小、更高分辨率的特征，但僅限于淺深度。較厚的壓電資料的較低頻率會更深化地傳播到體內(nèi)，但分辨率較低。

因而，需求多種類型的超聲波探頭來對身體的各個部位進行成像，頻率規(guī)模為 1 到 10 兆赫茲。為了對身體深處的大型器官或子宮內(nèi)的嬰兒進行成像，醫(yī)師運用 1 到 2 MHz 的探頭，它能夠供給 2 到 3 毫米的分辨率，而且能夠深化體內(nèi) 30 厘米。為了對頸部動脈的血流進行成像，醫(yī)師一般運用 8 至 10 MHz 探頭。

對多個探頭的需求以及小型化的缺乏意味著傳統(tǒng)的醫(yī)療超聲體系坐落拖在推車上的粗笨、四四方方的機器中。MEMS 技能的引入改動了這一點。

在曩昔三十年中，MEMS 使各行各業(yè)的制作商能夠在微觀尺度上制作出準確、極端敏感的元件。這一前進使得高密度換能器陣列的制作成為或許，該陣列能夠發(fā)生 1 至 10 MHz 規(guī)模內(nèi)的頻率，然后能夠運用一個探頭對體內(nèi)的各種深度進行成像。

MEMS 技能還有助于小型化附加組件，使所有部件都適合手持式探頭。與智能手機的計算才能相結(jié)合，就不再需求粗笨的購物車。

個根據(jù) MEMS 的硅超聲原型呈現(xiàn)于 20 世紀 90 時代中期，其時 MEMS 作為一項新技能的興奮度到達高峰。這些早期傳感器的要害元件是振蕩微機械膜，它使設(shè)備能夠發(fā)生振蕩，就像敲擊鼓在空氣中發(fā)生聲波相同。

呈現(xiàn)了兩種架構(gòu)。其間一種稱為電容式微機械超聲波換能器（CMUT），因其簡略的電容器狀結(jié)構(gòu)而得名。斯坦福大學電氣工程師 Pierre Khuri-Yakub 及其搭檔演示了個版別。

CMUT 根據(jù)電容器中的靜電力，該電容器由兩個由小空隙離隔的導(dǎo)電板形成。一塊板——前面說到的微加工膜——由硅或氮化硅制成，帶有金屬電極。另一種——一般是微機械加工的硅晶片基板——更厚、更堅硬。當施加電壓時，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曲折。當添加振蕩電壓時，力就會改動，導(dǎo)致薄膜振蕩，就像敲擊的鼓面相同。

當膜與人體觸摸時，振蕩將超聲波發(fā)送到安排中。發(fā)生或檢測到多少超聲波取決于膜和基底之間的空隙，該空隙需求在大約一微米或更小處進行測量。微加工技能使這種精度成為或許。

另一種根據(jù) MEMS 的架構(gòu)稱為 壓電微機械超聲換能器(PMUT)，其作業(yè)原理類似于煙霧報警器蜂鳴器的小型化版別。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。當電壓施加到壓電資料時，它的厚度以及從一側(cè)到另一側(cè)會脹大和縮短。因為橫向尺度更大，壓電盤直徑改動更明顯，而且在此進程中使整個結(jié)構(gòu)曲折。在煙霧報警器中，這些結(jié)構(gòu)的直徑一般為 4 厘米，它們會發(fā)生大約 3 千赫茲的尖叫警報聲。當膜的直徑縮小到 100 μm、厚度縮小到 5 到 10 μm 時，振蕩會上升到兆赫頻率，使其可用于醫(yī)療超聲。

霍尼韋爾 (Honeywell) 在 20 世紀 80 時代初開發(fā)了批運用硅隔膜上的壓電薄膜的微機械傳感器。直到1996 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院 (EPFL) 的資料科學家 Paul Muralt 的研究成果 才呈現(xiàn)了批以超聲波頻率運轉(zhuǎn)的 PMUT 。

CMUT 早年

CMUT 面對的一大挑戰(zhàn)是讓它們發(fā)生滿足的壓力，將聲波發(fā)送到身體深處并接收返回的回聲。膜的運動遭到膜與基底之間極小的空隙的約束。這約束了能夠發(fā)生的聲波的幅度。將不同尺度的 CMUT 設(shè)備陣列組合到單個探頭中以添加頻率規(guī)模也會危害壓力輸出，因為它減少了每個頻率可用的探頭面積

這些問題的處理方案來自斯坦福大學的 Khuri-Yakub 試驗室。在2000 時代初期的試驗中 ，研究人員發(fā)現(xiàn)，添加 CMUT 類結(jié)構(gòu)上的電壓會導(dǎo)致靜電力戰(zhàn)勝膜的恢復(fù)力。結(jié)果，膜的塌陷到基底上。

塌陷的薄膜一開端似乎是災(zāi)難性的，但事實證明這是一種使 CMUT 更、更能習慣不同頻率的辦法。因為觸摸區(qū)域周圍的空隙非常小，然后添加了那里的電場，因而功率提高了。而且壓力添加是因為邊際周圍的大環(huán)形區(qū)域依然具有杰出的運動規(guī)模。此外，只需改動電壓即可調(diào)理設(shè)備的頻率。反過來，這使得單個 CMUT 超聲探頭能夠地發(fā)生醫(yī)療診斷所需的整個超聲頻率規(guī)模。

從那時起，我們花了十多年的時刻來理解和模擬 CMUT 陣列的復(fù)雜機電行為并處理制作問題。對這些設(shè)備進行建模非常棘手，因為每個 CMUT 陣列中都稀有千個單獨的膜相互作用。

在制作方面，挑戰(zhàn)包含尋覓合適的資料并開發(fā)出產(chǎn)潤滑外表和空隙厚度所需的工藝。例如，分隔導(dǎo)電膜和基板的薄介電層必須以 1 μm 的厚度接受約 100 伏的電壓。假如該層有缺陷，則電荷或許會注入其間，而且器材或許會在邊際處或當膜觸摸基板時短路，然后損壞器材或至少降低其功用。

不過，終究，荷蘭埃因霍溫的飛利浦工程處理方案公司和新竹的臺積電 (TSMC) 等 MEMS 代工廠開發(fā)出了這些問題的處理方案。2010 年左右，這些公司開端出產(chǎn)可靠、高功用的 CMUT。

早期的 PMUT 規(guī)劃也難以發(fā)生滿足的壓力來用于醫(yī)療超聲。但它們或許足以在某些消費類運用中發(fā)揮作用，例如 手勢檢測和接近傳感器。在這種“空中超聲波”用途中，帶寬并不重要，頻率能夠低于 1 MHz。

2015 年，跟著用于手機指紋傳感的大型 2D 矩陣陣列的推出，用于醫(yī)療運用的 PMUT 獲得了意想不到的提升。在這種辦法的初次演示中，加州大學伯克利分校和加州大學戴維斯分校的研究人員將大約 2,500 個 PMUT 元件銜接到 CMOS 電子器材，并將它們放置在硅橡膠類層下。當指尖按在外表上時，原型會測量 20 MHz 反射信號的振幅，以區(qū)別指尖的脊和指尖之間的氣穴。

這是在硅芯片上集成 PMUT 和電子器材的令人印象深刻的演示，它表明大型 2D PMUT 陣列能夠發(fā)生滿足高的頻率，可用于淺層特征的成像。但為了完成醫(yī)療超聲范疇的跨過，PMUT 技能需求更大的帶寬、更大的輸出壓力以及更高功率的壓電薄膜。

總部坐落日內(nèi)瓦的ST 微電子 公司等半導(dǎo)體公司供給了協(xié)助 ，該公司找到了怎么將 PZT 薄膜集成到硅膜上的辦法。這些薄膜需求額定的加工步驟來堅持其特性。但功用的提高使得額定步驟的成本變得值得。

為了完成更大的壓力輸出，壓電層需求滿足厚，以使薄膜能夠接受杰出的超聲圖畫所需的高電壓。但厚度添加會導(dǎo)致膜變得更堅硬，然后降低帶寬。

一種處理方案是運用橢圓形 PMUT 膜，該膜可有效地將多個不同尺度的膜組合成一個。這類似于改動吉他弦的長度來發(fā)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)上供給多種長度的串。為了以不同頻率有效地振蕩膜的較寬和較窄部分，將電信號施加到放置在膜的相應(yīng)區(qū)域上的多個電極。這種辦法使 PMUT 在更寬的頻率規(guī)模內(nèi)堅持。

從學術(shù)界到現(xiàn)實國際

2000 時代初期，研究人員開端將用于醫(yī)學超聲的 CMUT 技能推向試驗室并進入商業(yè)開發(fā)。斯坦福大學針對這個市場成立了幾家初創(chuàng)公司。GE、飛利浦、三星和日立等搶先的醫(yī)學超聲成像公司開端開發(fā) CMUT 技能并測試根據(jù) CMUT 的探頭。

但直到2011年，CMUT商業(yè)化才真實開端取得進展。那一年，一個具有半導(dǎo)體電子經(jīng)驗的團隊創(chuàng)立了蝴蝶網(wǎng)絡(luò)。2018 年 IQ Probe 的推出是一次革新性事情。它是個能夠經(jīng)過 2D 成像陣列對全身進行成像并生成 3D 圖畫數(shù)據(jù)的手持式超聲探頭。該探測器的巨細與電視遙控器適當，僅稍重一些，初價格為 1,999 美元，是全尺度推車式機器成本的二十分之一。

大約在同一時刻，東京的日立公司和我國姑蘇的 Kolo Medical（曾經(jīng)坐落加利福尼亞州圣何塞）將根據(jù) CMUT 的探頭商業(yè)化，用于傳統(tǒng)超聲體系。但兩者都不具備與 Butterfly 相同的才能。例如，CMUT 和電子設(shè)備沒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。這約束了體系生成 3D 圖畫的才能，而這在高檔診斷中是必需的，例如確認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，標志著用于醫(yī)療超聲的 PMUT 的商業(yè)初次亮相。Iris 由具有半導(dǎo)體電子和集成經(jīng)驗的團隊開發(fā)，其尺度和分量與 Butterfly 的 IQ Probe 大致相同。其 3,500 美元的價格與 Butterfly 新型號 IQ+ 的價格 2,999 美元適當。

這些探頭中的超聲波 MEMS 芯片尺度為 2 x 3 厘米，是大的硅芯片之一，具有機電和電子功用。尺度和復(fù)雜性給器材的均勻性和產(chǎn)值帶來了出產(chǎn)挑戰(zhàn)。

這些手持設(shè)備以低功耗運轉(zhuǎn)，因而探頭的電池分量輕，在設(shè)備銜接到手機或平板電腦時可繼續(xù)運用幾個小時，而且充電時刻短。為了使輸出數(shù)據(jù)與手機和平板電腦兼容，探頭的主芯片履行數(shù)字化以及一些信號處理和編碼。

為了供給 3D 信息，這些手持式探頭獲取多個 2D 解剖切片，然后運用機器學習和 AI 來構(gòu)建必要的 3D 數(shù)據(jù)。內(nèi)置的根據(jù)人工智能的算法還能夠協(xié)助醫(yī)師和護理將針準確地放置在所需方位，例如具有挑戰(zhàn)性的脈管體系或其他安排進行活檢。

為這些探頭開發(fā)的人工智能非常好，以至于未受過超聲波訓(xùn)練的人員（例如護理助產(chǎn)士）能夠運用便攜式探頭來確認胎兒的胎齡，其準確度與經(jīng)過訓(xùn)練的超聲波技師相似。NEJM Evidence 2022 年的一項研究 。根據(jù)人工智能的功用還能夠使手持式探頭在急診醫(yī)學、低收入環(huán)境以及醫(yī)學生訓(xùn)練方面發(fā)揮作用。

這僅僅是小型化超聲波的開端。包含臺積電和意法半導(dǎo)體在內(nèi)的幾家全球大的半導(dǎo)體代工廠現(xiàn)在分別在 300 毫米和 200 毫米晶圓上出產(chǎn) MEMS 超聲波芯片。

事實上，意法半導(dǎo)體近在新加坡成立了一個專門用于薄膜壓電 MEMS 的“工廠試驗室”，以加速從概念驗證到批量出產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。Philips Engineering Solutions為 CMUT-on-CMOS 集成供給 CMUT 制作，坐落法國圖爾的Vermon供給商業(yè) CMUT 規(guī)劃和制作。這意味著初創(chuàng)公司和學術(shù)團體現(xiàn)在能夠獲得基礎(chǔ)技能，然后以比 10 年前低得多的成本完成新的立異水平。

經(jīng)過所有這些活動，職業(yè)分析師估計超聲波 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協(xié)作，正在開發(fā)用于腦機接口和神經(jīng)調(diào)理的 MEMS 超聲波。其他運用包含長期、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)中運用的肌肉活動監(jiān)視器。

未來五年，估計將呈現(xiàn)采用超聲波 MEMS 芯片的微型無源醫(yī)療植入物，其間運用超聲波長途傳輸電力和數(shù)據(jù)。終究，這些手持式超聲探頭或可穿戴陣列不只能夠用于解剖結(jié)構(gòu)成像，還能夠讀取生命體征，例如因為腫瘤成長或手術(shù)后深部安排氧合導(dǎo)致的內(nèi)部壓力改動。有一天，類似指紋的超聲波傳感器能夠用來測量血流量和心率。

有一天，可穿戴或植入式版別或許會在我們睡覺、吃飯和日子時生成被動超聲圖畫。