可穿戴超声成像技术已成为连续监测深层组织生理信号的新兴方式，可提供重要的健康和疾病信息。快速体积成像可以提供内在三维（3D）目标的全时空视图，这对于解释内部器官动力学是有益的。然而，现有的一维（1D）超声换能器阵列提供二维（2D）图像，使得克服时间分辨率和体积覆盖之间的权衡具有挑战性。此外，高驱动电压限制了其在可穿戴设备中的应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院微电子研究所的研究人员利用微机电系统（MEMS）技术，开发了一种超声相控阵换能器，即2D压电微机械超声换能器（pMUT）阵列，它由低电压驱动，并且与电路芯片兼容，可用于快速3D体积成像。所提出的解决方案以快速的方式提供了深层组织疾病的完整立体视图，为深层组织中各种器官的长期可穿戴成像技术铺平了道路。相关研究成果以“A low-voltage-driven MEMS ultrasonic phased-array transducer for fast 3D volumetric imaging”为题发表在Microsystems Nanoengineering期刊上。
低压驱动MEMS超声相控阵换能器和血管模体的代表性3D体积成像结果的示意图
在这项工作中，弯曲模式pMUT单元（cell）被并行分组到一个驱动通道中，即获得一个元件（element），2D阵列布局被设计为包含8 × 8个元件，允许在每个通道上进行5 V脉冲的可编程相位，以促进3D发射/接收波束形成。这种方法增强了低电压驱动pMUT换能器的性能，用于以可穿戴的方式对深层组织进行快速体积成像。
研究人员提出了一种新的等效电路（EQC）方法，即多级单元-元件-阵列模型，以定量表征pMUT相控阵的性能，尤其是主要的声学耦合效应。随后，研究人员通过实验验证了单元-元件-阵列模型，包括其电气、机械和声学特性。
MEMS相控阵换能器内的声学耦合以及电气、机械和声学相互作用（元件级和阵列级）的EQC模型的示意图
pMUT阵列在血管模体（vascular phantom）实验中展示了覆盖40 mm × 40 mm × 70 mm范围的快速体积成像，实现了11 kHz的高时间帧速率。
8 × 8 pMUT阵列的血管模体实验
总而言之，研究人员开发的低压驱动MEMS超声相控阵换能器实现了具有大穿透深度和高时间分辨率的无创3D体积成像。通过使用多级单元-元件-阵列设计和基于MEMS的制造方法，开发了一种5 V驱动的8 × 8相控阵换能器，用于血管模体（40 mm方位角 × 40 mm仰角 × 70 mm深度）的3D体积成像，时间分辨率为11 kHz。低压驱动的快速3D血管体积成像可以促进对深部组织血流动力学和血管增生的长期监测，从而改善各种状况和疾病。血管的全尺寸的快速监测和成像对于血管功能的评价和血管疾病的诊断和治疗具有重要意义。例如，捕捉血管闭塞时的血液动力学变化有助于检查静脉顺应性，这是心脏功能的关键指标。
尽管这项工作中描述的低压驱动pMUT相控阵换能器仅旨在对3D血管模体进行成像，但该平台技术有可能扩展到监测深层组织中的许多其它器官，例如膀胱、肾脏和肺。此外，开发适合pMUT换能器的波束成形方法可以进一步提高信号强度并增加穿透深度。此外，多个共振频率可以在保持高空间分辨率的同时获得显著的成像深度。已经证明pMUT可以通过控制其振动特性来实现多个共振频率。所提出的方法可以集成两个或多个共振频率以提高空间分辨率。此外，考虑到其易于基于MEMS技术进行制造，研究人员可以将多个pMUT阵列分组，以增加孔径数量，从而在更大的3D体积下实现高信噪比（SNR）成像。最后，由于使用相同的处理技术，这种5 V驱动的pMUT阵列很容易与多通道CMOS集成电路集成，为可穿戴片上超声平台铺平了道路。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00755-9
可穿戴超声成像技术已成为连续监测深层组织生理信号的新兴方式，可提供重要的健康和疾病信息。快速体积成像可以提供内在三维（3D）目标的全时空视图，这对于解释内部器官动力学是有益的。然而，现有的一维（1D）超声换能器阵列提供二维（2D）图像，使得克服时间分辨率和体积覆盖之间的权衡具有挑战性。此外，高驱动电压限制了其在可穿戴设备中的应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院微电子研究所的研究人员利用微机电系统（MEMS）技术，开发了一种超声相控阵换能器，即2D压电微机械超声换能器（pMUT）阵列，它由低电压驱动，并且与电路芯片兼容，可用于快速3D体积成像。所提出的解决方案以快速的方式提供了深层组织疾病的完整立体视图，为深层组织中各种器官的长期可穿戴成像技术铺平了道路。相关研究成果以“A low-voltage-driven MEMS ultrasonic phased-array transducer for fast 3D volumetric imaging”为题发表在Microsystems Nanoengineering期刊上。
低压驱动MEMS超声相控阵换能器和血管模体的代表性3D体积成像结果的示意图
在这项工作中，弯曲模式pMUT单元（cell）被并行分组到一个驱动通道中，即获得一个元件（element），2D阵列布局被设计为包含8 × 8个元件，允许在每个通道上进行5 V脉冲的可编程相位，以促进3D发射/接收波束形成。这种方法增强了低电压驱动pMUT换能器的性能，用于以可穿戴的方式对深层组织进行快速体积成像。
研究人员提出了一种新的等效电路（EQC）方法，即多级单元-元件-阵列模型，以定量表征pMUT相控阵的性能，尤其是主要的声学耦合效应。随后，研究人员通过实验验证了单元-元件-阵列模型，包括其电气、机械和声学特性。
MEMS相控阵换能器内的声学耦合以及电气、机械和声学相互作用（元件级和阵列级）的EQC模型的示意图
pMUT阵列在血管模体（vascular phantom）实验中展示了覆盖40 mm × 40 mm × 70 mm范围的快速体积成像，实现了11 kHz的高时间帧速率。
8 × 8 pMUT阵列的血管模体实验
总而言之，研究人员开发的低压驱动MEMS超声相控阵换能器实现了具有大穿透深度和高时间分辨率的无创3D体积成像。通过使用多级单元-元件-阵列设计和基于MEMS的制造方法，开发了一种5 V驱动的8 × 8相控阵换能器，用于血管模体（40 mm方位角 × 40 mm仰角 × 70 mm深度）的3D体积成像，时间分辨率为11 kHz。低压驱动的快速3D血管体积成像可以促进对深部组织血流动力学和血管增生的长期监测，从而改善各种状况和疾病。血管的全尺寸的快速监测和成像对于血管功能的评价和血管疾病的诊断和治疗具有重要意义。例如，捕捉血管闭塞时的血液动力学变化有助于检查静脉顺应性，这是心脏功能的关键指标。
尽管这项工作中描述的低压驱动pMUT相控阵换能器仅旨在对3D血管模体进行成像，但该平台技术有可能扩展到监测深层组织中的许多其它器官，例如膀胱、肾脏和肺。此外，开发适合pMUT换能器的波束成形方法可以进一步提高信号强度并增加穿透深度。此外，多个共振频率可以在保持高空间分辨率的同时获得显著的成像深度。已经证明pMUT可以通过控制其振动特性来实现多个共振频率。所提出的方法可以集成两个或多个共振频率以提高空间分辨率。此外，考虑到其易于基于MEMS技术进行制造，研究人员可以将多个pMUT阵列分组，以增加孔径数量，从而在更大的3D体积下实现高信噪比（SNR）成像。最后，由于使用相同的处理技术，这种5 V驱动的pMUT阵列很容易与多通道CMOS集成电路集成，为可穿戴片上超声平台铺平了道路。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00755-9
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