據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，一支由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)（Columbia University）和哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心（Columbia University Medical Center）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Flexible ultrasound transceiver array for non-invasive surface-conformable imaging enabled by geometric phase correction”的最新論文，文中提出了一種機(jī)械柔性、無(wú)源和相控二維超聲收發(fā)器陣列——FlexArray，其利用幾何相位校正來(lái)補(bǔ)償彎曲物體成像時(shí)曲率半徑的變化，可在最小的電氣干擾下進(jìn)行高對(duì)比度成像，本研究成果對(duì)可檢測(cè)骨骼結(jié)構(gòu)的無(wú)創(chuàng)、非電離生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

圖1 FlexArray柔性超聲收發(fā)器陣列概覽

超聲診斷已成為醫(yī)療保健專業(yè)人員無(wú)創(chuàng)檢查軟組織的一種重要的成像方式，因?yàn)樗鼪](méi)有暴露于損傷細(xì)胞的電離輻射的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。這種無(wú)創(chuàng)成像方法通常通過(guò)壓電超聲換能器的線性陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，它將機(jī)械聲能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，反之亦然。大多數(shù)商用超聲換能器都安裝在剛性探頭中，并且具有固定接口，無(wú)法與人體三維表面貼合。因此，人們制定了許多臨床激勵(lì)措施，以開(kāi)發(fā)柔性、人體適形的超聲探頭，其性能與用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的同時(shí)期的剛性接口陣列的頻率和分辨率性能相當(dāng)。

二維相控陣具有在任意焦距的三維方向上操縱超聲波束的額外優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于詳盡的局部成像。在眾多成像應(yīng)用中，超聲已被證實(shí)是一種可行的方式，可幫助診斷骨折并動(dòng)態(tài)指導(dǎo)骨折復(fù)位——特別是在資源不足的環(huán)境中，作為X射線的替代方案非常有用。在檢查未成年人的骨折時(shí)，超聲的非電離特性尤其重要，因?yàn)樾枰苊獠槐匾腦射線照射。在一項(xiàng)對(duì)224例兒童疑似骨折的研究中，86.6%的病例通過(guò)超聲正確識(shí)別。超聲還為識(shí)別長(zhǎng)骨骨折（特別是肱骨）提供了最高的靈敏度，在233例個(gè)體中靈敏度高達(dá)98%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，成年肱骨在中軸位置的直徑，男性為17到23mm，女性為14到20mm之間，可通過(guò)低于1MHz的超聲頻率輕松分辨。因此，柔性超聲相控陣的開(kāi)發(fā)可為安全、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)上肢骨折以及其他肌肉骨骼異常提供方便的解決方案；消除對(duì)操作員專業(yè)知識(shí)的依賴。用于這些和其他類似應(yīng)用的柔性超聲探頭必須在最小程度上彎曲，以貼合曲率半徑為?1.5cm的圓柱體，確保準(zhǔn)確的圖像重建。

通常，開(kāi)發(fā)柔性或可拉伸超聲收發(fā)器陣列涉及將超聲換能器元件直接集成到柔性互連襯底上。研究人員先前在這一領(lǐng)域所做的工作通常是將鋯鈦酸鉛（PZT-5H）或壓電復(fù)合材料的5H相塊體樣品集成到帶有信號(hào)和接地電極的聚合物襯底上。該領(lǐng)域的一個(gè)顯著進(jìn)展是引入了一種可拉伸貼片，該貼片包含100個(gè)獨(dú)立的1-3型壓電復(fù)合元件，以二維陣列排列在可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）襯底上。研究人員還演示了一維環(huán)繞陣列，但它們通常需要8–128個(gè)超聲換能器元件一起工作。為了保持良好的超聲收發(fā)器陣列柔性，陣列元件之間的背襯/匹配層和/或縫隙填充材料通常需要被犧牲掉。這導(dǎo)致超聲收發(fā)器陣列對(duì)超聲波形的控制降低，但在這些新型柔性超聲收發(fā)器陣列的文獻(xiàn)中，研究人員還沒(méi)有全面定義與通常品質(zhì)因數(shù)相關(guān)的權(quán)衡。其中許多系統(tǒng)存在技術(shù)缺陷，例如元件之間的間距太寬，導(dǎo)致在指定的工作頻率下形成柵瓣，并且沒(méi)有考慮陣列曲率及其對(duì)相位干擾的影響；由于在最終圖像中引入了誤差和偽影，最終導(dǎo)致成像系統(tǒng)性能的降低。

在本論文中，作者們提出了一種機(jī)械柔性、無(wú)源和相控二維超聲收發(fā)器陣列——FlexArray，包含直接集成到柔性印刷電路板（PCB）上的256個(gè)壓電式超聲換能器，它利用幾何相位校正來(lái)補(bǔ)償彎曲物體成像時(shí)曲率半徑的變化。他們介紹了提出的柔性超聲收發(fā)器陣列的制造過(guò)程和功能，并討論了用于圖像校正的相位算法。利用COMSOL Multiphysics仿真，他們通過(guò)比較不同的縫隙填充材料，解決了實(shí)現(xiàn)良好陣列柔性的器件設(shè)計(jì)考慮因素，以及制造簡(jiǎn)易性和/或超聲性能的潛在成本。在有相位校正和沒(méi)有相位校正的兩種情況下，他們演示了適形柔性超聲收發(fā)器陣列在各種形狀的體模軟物質(zhì)上的成像性能。在?1.4 MHz的諧振驅(qū)動(dòng)頻率下，F(xiàn)lexArray展示了可控波束轉(zhuǎn)向功能和在焦點(diǎn)處》?500kPa的聲壓。壓電超聲換能器元件具有很寬的帶寬（41.3%），使其成為連接和詢問(wèn)生物組織的良好的候選者。相鄰超聲換能器元件之間的串?dāng)_適當(dāng)?shù)停▽?duì)第一相鄰元件?52dB，對(duì)第二相鄰元件??74dB），使其可在最小的電氣干擾下進(jìn)行高對(duì)比度成像。最后，他們使用一個(gè)原型器件對(duì)人類上臂的橫截面進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，展示了這種設(shè)計(jì)范式在開(kāi)發(fā)可檢測(cè)骨骼結(jié)構(gòu)的無(wú)創(chuàng)、非電離生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備方面的能力。

圖2 FlexArray的PZT柱制造和超聲性能基準(zhǔn)

圖3 相鄰超聲換能器元件之間的串?dāng)_表征和醫(yī)學(xué)級(jí)體模成像

圖4 使用FlexArray的人體肱骨成像實(shí)驗(yàn)

審核編輯：郭婷