医疗超声范畴正在发生惊人的改动，正在医院和医师办公室中展开。历史悠久、的超声波机器被推在推车上，悬挂着电缆和多个探头，现在正被永久推到一边，取而代之的是可将图画发送到手机的手持探头。

这些设备满足小，能够放入试验室外套口袋中，而且满足灵敏，能够对身体的任何部位（从深部器官到浅静脉）进行成像，并供给全面的 3D 视图，所有这些都只需一个探头即可完成。随同它们的人工智能或许很快就会使未经练习的人员在任何环境下都能够操作这些设备，而不只仅是诊所中练习有素的超声检查人员。

个此类小型手持式超声探头于 2018 年上市，来自马萨诸塞州伯灵顿的Butterfly Network 。去年 9 月，加利福尼亚州圣克拉拉的 Exo Imaging推出了竞争版别。

让这一切成为或许的是硅超声技能，该技能运用一种微机电体系 (MEMS) 构建，将 4,000 到 9,000 个传感器（将电信号转换为声波并再次转换回来的设备）填充到 2 x 3 厘米的硅芯片上。经过将 MEMS 传感器技能与复杂的电子器材集成在单个芯片上，这些扫描仪不只能够仿制传统成像和 3D 测量的质量，而且还拓荒了曾经不或许的新运用。

超声波怎么作业？

要了解研究人员怎么完成这一豪举，了解超声波技能的基础知识会很有协助。超声波探头运用换能器将电能转换为穿透身体的声波。声波从身体的软安排反弹并回波回探头。然后传感器将回声声波转换为电信号，计算机将数据转换为能够在屏幕上查看的图画。

传统的超声探头包含由压电晶体板或钛酸铅锆 (PZT) 等陶瓷板制成的换能器阵列。当遭到电脉冲碰击时，这些板会胀大和缩短，并发生在其内部反弹的高频超声波。

为了对成像有用，超声波需求从平板传播到患者身体的软安排和体液中。这不是一项简略的使命。捕捉这些波涛的回声就像站在游泳池旁边试图听到有人在水下说话相同。因而，换能器阵列由多层资料构成，这些资料的刚度从探头的硬压电晶体平滑过渡到身体的软安排。

传输到体内的能量的频率主要由压电层的厚度决议。更薄的层传输更高的频率，这使得在超声图画中能够看到更小、更高分辨率的特征，但仅限于浅深度。较厚的压电资料的较低频率会更深化地传播到体内，但分辨率较低。

因而，需求多种类型的超声波探头来对身体的各个部位进行成像，频率规模为 1 到 10 兆赫兹。为了对身体深处的大型器官或子宫内的婴儿进行成像，医师运用 1 到 2 MHz 的探头，它能够供给 2 到 3 毫米的分辨率，而且能够深化体内 30 厘米。为了对颈部动脉的血流进行成像，医师一般运用 8 至 10 MHz 探头。

对多个探头的需求以及小型化的缺乏意味着传统的医疗超声体系坐落拖在推车上的粗笨、四四方方的机器中。MEMS 技能的引入改动了这一点。

在曩昔三十年中，MEMS 使各行各业的制作商能够在微观尺度上制作出准确、极端敏感的元件。这一前进使得高密度换能器阵列的制作成为或许，该阵列能够发生 1 至 10 MHz 规模内的频率，然后能够运用一个探头对体内的各种深度进行成像。

MEMS 技能还有助于小型化附加组件，使所有部件都适合手持式探头。与智能手机的计算才能相结合，就不再需求粗笨的购物车。

个根据 MEMS 的硅超声原型呈现于 20 世纪 90 时代中期，其时 MEMS 作为一项新技能的兴奋度到达高峰。这些早期传感器的要害元件是振荡微机械膜，它使设备能够发生振荡，就像敲击鼓在空气中发生声波相同。

呈现了两种架构。其间一种称为电容式微机械超声波换能器（CMUT），因其简略的电容器状结构而得名。斯坦福大学电气工程师 Pierre Khuri-Yakub 及其搭档演示了个版别。

CMUT 根据电容器中的静电力，该电容器由两个由小空隙离隔的导电板形成。一块板——前面说到的微加工膜——由硅或氮化硅制成，带有金属电极。另一种——一般是微机械加工的硅晶片基板——更厚、更坚硬。当施加电压时，在膜和基板上放置相反的电荷，吸引力将膜拉向基板并使其曲折。当添加振荡电压时，力就会改动，导致薄膜振荡，就像敲击的鼓面相同。

当膜与人体触摸时，振荡将超声波发送到安排中。发生或检测到多少超声波取决于膜和基底之间的空隙，该空隙需求在大约一微米或更小处进行测量。微加工技能使这种精度成为或许。

另一种根据 MEMS 的架构称为 压电微机械超声换能器(PMUT)，其作业原理类似于烟雾报警器蜂鸣器的小型化版别。这些蜂鸣器由两层组成：固定在其外围的薄金属盘和粘合在金属盘顶部的薄且较小的压电盘。当电压施加到压电资料时，它的厚度以及从一侧到另一侧会胀大和缩短。因为横向尺度更大，压电盘直径改动更明显，而且在此进程中使整个结构曲折。在烟雾报警器中，这些结构的直径一般为 4 厘米，它们会发生大约 3 千赫兹的尖叫警报声。当膜的直径缩小到 100 μm、厚度缩小到 5 到 10 μm 时，振荡会上升到兆赫频率，使其可用于医疗超声。

霍尼韦尔 (Honeywell) 在 20 世纪 80 时代初开发了批运用硅隔膜上的压电薄膜的微机械传感器。直到1996 年，瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的资料科学家 Paul Muralt 的研究成果 才呈现了批以超声波频率运转的 PMUT 。

CMUT 早年

CMUT 面对的一大挑战是让它们发生满足的压力，将声波发送到身体深处并接收返回的回声。膜的运动遭到膜与基底之间极小的空隙的约束。这约束了能够发生的声波的幅度。将不同尺度的 CMUT 设备阵列组合到单个探头中以添加频率规模也会危害压力输出，因为它减少了每个频率可用的探头面积

这些问题的处理方案来自斯坦福大学的 Khuri-Yakub 试验室。在2000 时代初期的试验中 ，研究人员发现，添加 CMUT 类结构上的电压会导致静电力战胜膜的恢复力。结果，膜的塌陷到基底上。

塌陷的薄膜一开端似乎是灾难性的，但事实证明这是一种使 CMUT 更、更能习惯不同频率的办法。因为触摸区域周围的空隙非常小，然后添加了那里的电场，因而功率提高了。而且压力添加是因为边际周围的大环形区域依然具有杰出的运动规模。此外，只需改动电压即可调理设备的频率。反过来，这使得单个 CMUT 超声探头能够地发生医疗诊断所需的整个超声频率规模。

从那时起，我们花了十多年的时刻来理解和模拟 CMUT 阵列的复杂机电行为并处理制作问题。对这些设备进行建模非常棘手，因为每个 CMUT 阵列中都稀有千个单独的膜相互作用。

在制作方面，挑战包含寻觅合适的资料并开发出产润滑外表和空隙厚度所需的工艺。例如，分隔导电膜和基板的薄介电层必须以 1 μm 的厚度接受约 100 伏的电压。假如该层有缺陷，则电荷或许会注入其间，而且器材或许会在边际处或当膜触摸基板时短路，然后损坏器材或至少降低其功用。

不过，终究，荷兰埃因霍温的飞利浦工程处理方案公司和新竹的台积电 (TSMC) 等 MEMS 代工厂开发出了这些问题的处理方案。2010 年左右，这些公司开端出产可靠、高功用的 CMUT。

早期的 PMUT 规划也难以发生满足的压力来用于医疗超声。但它们或许足以在某些消费类运用中发挥作用，例如 手势检测和接近传感器。在这种“空中超声波”用途中，带宽并不重要，频率能够低于 1 MHz。

2015 年，跟着用于手机指纹传感的大型 2D 矩阵阵列的推出，用于医疗运用的 PMUT 获得了意想不到的提升。在这种办法的初次演示中，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 2,500 个 PMUT 元件衔接到 CMOS 电子器材，并将它们放置在硅橡胶类层下。当指尖按在外表上时，原型会测量 20 MHz 反射信号的振幅，以区别指尖的脊和指尖之间的气穴。

这是在硅芯片上集成 PMUT 和电子器材的令人印象深刻的演示，它表明大型 2D PMUT 阵列能够发生满足高的频率，可用于浅层特征的成像。但为了完成医疗超声范畴的跨过，PMUT 技能需求更大的带宽、更大的输出压力以及更高功率的压电薄膜。

总部坐落日内瓦的ST 微电子 公司等半导体公司供给了协助 ，该公司找到了怎么将 PZT 薄膜集成到硅膜上的办法。这些薄膜需求额定的加工步骤来坚持其特性。但功用的提高使得额定步骤的成本变得值得。

为了完成更大的压力输出，压电层需求满足厚，以使薄膜能够接受杰出的超声图画所需的高电压。但厚度添加会导致膜变得更坚硬，然后降低带宽。

一种处理方案是运用椭圆形 PMUT 膜，该膜可有效地将多个不同尺度的膜组合成一个。这类似于改动吉他弦的长度来发生不同的音调。椭圆形膜以其窄截面和宽截面在同一结构上供给多种长度的串。为了以不同频率有效地振荡膜的较宽和较窄部分，将电信号施加到放置在膜的相应区域上的多个电极。这种办法使 PMUT 在更宽的频率规模内坚持。

从学术界到现实国际

2000 时代初期，研究人员开端将用于医学超声的 CMUT 技能推向试验室并进入商业开发。斯坦福大学针对这个市场成立了几家初创公司。GE、飞利浦、三星和日立等抢先的医学超声成像公司开端开发 CMUT 技能并测试根据 CMUT 的探头。

但直到2011年，CMUT商业化才真实开端取得进展。那一年，一个具有半导体电子经验的团队创立了蝴蝶网络。2018 年 IQ Probe 的推出是一次革新性事情。它是个能够经过 2D 成像阵列对全身进行成像并生成 3D 图画数据的手持式超声探头。该探测器的巨细与电视遥控器适当，仅稍重一些，初价格为 1,999 美元，是全尺度推车式机器成本的二十分之一。

大约在同一时刻，东京的日立公司和我国姑苏的 Kolo Medical（曾经坐落加利福尼亚州圣何塞）将根据 CMUT 的探头商业化，用于传统超声体系。但两者都不具备与 Butterfly 相同的才能。例如，CMUT 和电子设备没有集成在同一块硅芯片上，这意味着探头具有一维阵列而不是二维阵列。这约束了体系生成 3D 图画的才能，而这在高档诊断中是必需的，例如确认膀胱体积或查看心脏的同步正交视图。

Exo Imaging 于 2023 年 9 月推出手持式探头 Iris，标志着用于医疗超声的 PMUT 的商业初次亮相。Iris 由具有半导体电子和集成经验的团队开发，其尺度和分量与 Butterfly 的 IQ Probe 大致相同。其 3,500 美元的价格与 Butterfly 新型号 IQ+ 的价格 2,999 美元适当。

这些探头中的超声波 MEMS 芯片尺度为 2 x 3 厘米，是大的硅芯片之一，具有机电和电子功用。尺度和复杂性给器材的均匀性和产值带来了出产挑战。

这些手持设备以低功耗运转，因而探头的电池分量轻，在设备衔接到手机或平板电脑时可继续运用几个小时，而且充电时刻短。为了使输出数据与手机和平板电脑兼容，探头的主芯片履行数字化以及一些信号处理和编码。

为了供给 3D 信息，这些手持式探头获取多个 2D 解剖切片，然后运用机器学习和 AI 来构建必要的 3D 数据。内置的根据人工智能的算法还能够协助医师和护理将针准确地放置在所需方位，例如具有挑战性的脉管体系或其他安排进行活检。

为这些探头开发的人工智能非常好，以至于未受过超声波训练的人员（例如护理助产士）能够运用便携式探头来确认胎儿的胎龄，其准确度与经过训练的超声波技师相似。NEJM Evidence 2022 年的一项研究 。根据人工智能的功用还能够使手持式探头在急诊医学、低收入环境以及医学生训练方面发挥作用。

这仅仅是小型化超声波的开端。包含台积电和意法半导体在内的几家全球大的半导体代工厂现在分别在 300 毫米和 200 毫米晶圆上出产 MEMS 超声波芯片。

事实上，意法半导体近在新加坡成立了一个专门用于薄膜压电 MEMS 的“工厂试验室”，以加速从概念验证到批量出产的转变。Philips Engineering Solutions为 CMUT-on-CMOS 集成供给 CMUT 制作，坐落法国图尔的Vermon供给商业 CMUT 规划和制作。这意味着初创公司和学术团体现在能够获得基础技能，然后以比 10 年前低得多的成本完成新的立异水平。

经过所有这些活动，职业分析师估计超声波 MEMS 芯片将集成到许多不同的医疗设备中，用于成像和传感。例如，Butterfly Network 与 Forest Neurotech协作，正在开发用于脑机接口和神经调理的 MEMS 超声波。其他运用包含长期、低功耗可穿戴设备，例如心脏、肺和大脑监视器，以及康复中运用的肌肉活动监视器。

未来五年，估计将呈现采用超声波 MEMS 芯片的微型无源医疗植入物，其间运用超声波长途传输电力和数据。终究，这些手持式超声探头或可穿戴阵列不只能够用于解剖结构成像，还能够读取生命体征，例如因为肿瘤成长或手术后深部安排氧合导致的内部压力改动。有一天，类似指纹的超声波传感器能够用来测量血流量和心率。

有一天，可穿戴或植入式版别或许会在我们睡觉、吃饭和日子时生成被动超声图画。