基于几何相位校正的柔性超声收发器阵列的实现

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由美国哥伦比亚大学（Columbia University）和哥伦比亚大学医学中心（Columbia University Medical Center）的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Flexible ultrasound transceiver array for non-invasive surface-conformable imaging enabled by geometric phase correction”的最新论文，文中提出了一种机械柔性、无源和相控二维超声收发器阵列——FlexArray，其利用几何相位校正来补偿弯曲物体成像时曲率半径的变化，可在最小的电气干扰下进行高对比度成像，本研究成果对可检测骨骼结构的无创、非电离生物医学成像设备的开发具有重要意义。

图1 FlexArray柔性超声收发器阵列概览

超声诊断已成为医疗保健专业人员无创检查软组织的一种重要的成像方式，因为它没有暴露于损伤细胞的电离辐射的相关风险。这种无创成像方法通常通过压电超声换能器的线性阵列来实现，它将机械声能转换为电信号，反之亦然。大多数商用超声换能器都安装在刚性探头中，并且具有固定接口，无法与人体三维表面贴合。因此，人们制定了许多临床激励措施，以开发柔性、人体适形的超声探头，其性能与用于生物医学应用的同时期的刚性接口阵列的频率和分辨率性能相当。

二维相控阵具有在任意焦距的三维方向上操纵超声波束的额外优势，可应用于详尽的局部成像。在众多成像应用中，超声已被证实是一种可行的方式，可帮助诊断骨折并动态指导骨折复位——特别是在资源不足的环境中，作为X射线的替代方案非常有用。在检查未成年人的骨折时，超声的非电离特性尤其重要，因为需要避免不必要的X射线照射。在一项对224例儿童疑似骨折的研究中，86.6%的病例通过超声正确识别。超声还为识别长骨骨折（特别是肱骨）提供了最高的灵敏度，在233例个体中灵敏度高达98%。据统计，成年肱骨在中轴位置的直径，男性为17到23mm，女性为14到20mm之间，可通过低于1MHz的超声频率轻松分辨。因此，柔性超声相控阵的开发可为安全、快速、准确地检测上肢骨折以及其他肌肉骨骼异常提供方便的解决方案；消除对操作员专业知识的依赖。用于这些和其他类似应用的柔性超声探头必须在最小程度上弯曲，以贴合曲率半径为 1.5cm的圆柱体，确保准确的图像重建。

通常，开发柔性或可拉伸超声收发器阵列涉及将超声换能器元件直接集成到柔性互连衬底上。研究人员先前在这一领域所做的工作通常是将锆钛酸铅（PZT-5H）或压电复合材料的5H相块体样品集成到带有信号和接地电极的聚合物衬底上。该领域的一个显著进展是引入了一种可拉伸贴片，该贴片包含100个独立的1-3型压电复合元件，以二维阵列排列在可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底上。研究人员还演示了一维环绕阵列，但它们通常需要8–128个超声换能器元件一起工作。为了保持良好的超声收发器阵列柔性，阵列元件之间的背衬/匹配层和/或缝隙填充材料通常需要被牺牲掉。这导致超声收发器阵列对超声波形的控制降低，但在这些新型柔性超声收发器阵列的文献中，研究人员还没有全面定义与通常品质因数相关的权衡。其中许多系统存在技术缺陷，例如元件之间的间距太宽，导致在指定的工作频率下形成栅瓣，并且没有考虑阵列曲率及其对相位干扰的影响；由于在最终图像中引入了误差和伪影，最终导致成像系统性能的降低。

在本论文中，作者们提出了一种机械柔性、无源和相控二维超声收发器阵列——FlexArray，包含直接集成到柔性印刷电路板（PCB）上的256个压电式超声换能器，它利用几何相位校正来补偿弯曲物体成像时曲率半径的变化。他们介绍了提出的柔性超声收发器阵列的制造过程和功能，并讨论了用于图像校正的相位算法。利用COMSOL Multiphysics仿真，他们通过比较不同的缝隙填充材料，解决了实现良好阵列柔性的器件设计考虑因素，以及制造简易性和/或超声性能的潜在成本。在有相位校正和没有相位校正的两种情况下，他们演示了适形柔性超声收发器阵列在各种形状的体模软物质上的成像性能。在 1.4 MHz的谐振驱动频率下，FlexArray展示了可控波束转向功能和在焦点处》 500kPa的声压。压电超声换能器元件具有很宽的带宽（41.3%），使其成为连接和询问生物组织的良好的候选者。相邻超声换能器元件之间的串扰适当低（对第一相邻元件−52dB，对第二相邻元件 −74dB），使其可在最小的电气干扰下进行高对比度成像。最后，他们使用一个原型器件对人类上臂的横截面进行成像实验，展示了这种设计范式在开发可检测骨骼结构的无创、非电离生物医学成像设备方面的能力。

图2 FlexArray的PZT柱制造和超声性能基准

图3 相邻超声换能器元件之间的串扰表征和医学级体模成像

图4 使用FlexArray的人体肱骨成像实验

审核编辑：郭婷