KB体育(官网)入口-在线app下载

详细信息

　　医疗超声范围正正在爆发惊人的转移，正正在病院和大夫办公室中张开。史书长久、最前辈的超声波呆板被推正在推车上，吊挂着电缆和众个探头，现正在正被长期推到一边，取而代之的是可将图像发送得手机的手持探头。

　　这些修设足够小，可能放入实行室外衣口袋中，而且足够矫捷，可能对身体的任何部位（从深部器官到浅静脉）实行成像，并供给通盘的 3D 视图，全盘这些都只需一个探头即可杀青。随同它们的人工智能也许很疾就会使未经操练的专业职员正在任何境况下都可能操作这些修设，而不只仅是诊所中操练有素的超声查抄职员。

　　第一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 。客岁 9 月，加利福尼亚州圣克拉拉的 Exo Imaging推出了比赛版本。

　　让这齐备成为也许的是硅超声时间，该时间操纵一种微机电编制 (MEMS) 构修，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修设）填充到 2 x 3 厘米的硅芯片上。通过将 MEMS 传感器时间与杂乱的电子器件集成正在单个芯片上，这些扫描仪不只可能复制守旧成像和 3D 衡量的质地，况且还启发了以前不也许的新运用。

　　要理解考虑职员何如杀青这一豪举，理解超声波时间的根基常识会很有助助。超声波探头操纵换能器将电能转换为穿透身体的声波。声波从身体的软结构反弹并回波回探头。然后传感器将反响声波转换为电信号，策动机将数据转换为可能正在屏幕上查看的图像。

　　守旧的超声探头包蕴由压电晶体板或钛酸铅锆 (PZT) 等陶瓷板制成的换能器阵列。当受到电脉冲克击时，这些板会膨胀和压缩，并发作正在其内部反弹的高频超声波。

　　为了对成像有效，超声波须要从平板撒布到患者身体的软结构和体液中。这不是一项简易的职业。缉捕这些海浪的反响就像站正在泅水池旁边试图听到有人正在水下语言一律。是以，换能器阵列由众层资料组成，这些资料的刚度从探头中央的硬压电晶体滑腻过渡到身体的软结构。

　　传输到体内的能量的频率首要由压电层的厚度决策。更薄的层传输更高的频率，这使得正在超声图像中可能看到更小、更高分辩率的特质，但仅限于浅深度。较厚的压电资料的较低频率会更长远地撒布到体内，但分辩率较低。

　　是以，须要众品种型的超声波探头来对身体的各个部位实行成像，频率界限为 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实行成像，大夫操纵 1 到 2 MHz 的探头，它可能供给 2 到 3 毫米的分辩率，而且可能长远体内 30 厘米。为了对颈部动脉的血流实行成像，大夫平淡操纵 8 至 10 MHz 探头。

　　对众个探头的需求以及小型化的缺乏意味着守旧的医疗超声编制位于拖正在推车上的笨重、四四方方的呆板中。MEMS 时间的引入转化了这一点。

　　正在过去三十年中，MEMS 使各行各业的修制商也许正在微观标准上修制出无误、极其敏锐的元件。这一进取使得高密度换能器阵列的修制成为也许，该阵列可能发作 1 至 10 MHz 界限内的频率，从而可能操纵一个探头对体内的种种深度实行成像。

　　MEMS 时间又有助于小型化附加组件，使全盘部件都适合手持式探头。与智在行机的策动才干相联合，就不再须要笨重的购物车。

　　第一个基于 MEMS 的硅超声原型显现于 20 世纪 90 年代中期，当时 MEMS 动作一项新时间的兴奋度到达高峰。这些早期传感器的症结元件是振动微刻板膜，它使修设也许发作振动，就像敲伐胀正在氛围中发作声波一律。

　　显现了两种架构。个中一种称为电容式微刻板超声波换能器（CMUT），因其简易的电容器状组织而得名。斯坦福大学电气工程师 Pierre Khuri-Yakub 及其同事演示了第一个版本。

　　CMUT 基于电容器中的静电力，该电容器由两个由小间隙离隔的导电板变成。一块板——前面提到的微加工膜——由硅或氮化硅制成，带有金属电极。另一种——平淡是微刻板加工的硅晶片基板——更厚、更坚硬。当施加电压时，正在膜和基板上安置相反的电荷，吸引力将膜拉向基板并使其弯曲。当增添振荡电压时，力就会转化，导致薄膜振动，就像敲击的胀面一律。

　　当膜与人体接触时，振动将超声波发送到结构中。发作或检测到众少超声波取决于膜和基底之间的间隙，该间隙须要正在大约一微米或更小处实行衡量。微加工时间使这种精度成为也许。

　　另一种基于 MEMS 的架构称为 压电微刻板超声换能器(PMUT)，其做事道理相似于烟雾报警器蜂鸣器的小型化版本。这些蜂鸣器由两层构成：固定正在其外围的薄金属盘和粘合正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膨胀和压缩。因为横向尺寸更大，压电盘直径转移更显着，而且正在此经过中使全部组织弯曲。正在烟雾报警器中，这些组织的直径平淡为 4 厘米，它们会发作大约 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，振动会上升到兆赫频率，使其可用于医疗超声。

　　霍尼韦尔 (Honeywell) 正在 20 世纪 80 年代初开拓了第一批操纵硅隔阂上的压电薄膜的微刻板传感器。直到1996 年，瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的资料科学家 Paul Muralt 的考虑结果 才显现了第一批以超声波频率运转的 PMUT 。

　　CMUT 面对的一大挑拨是让它们发作足够的压力，将声波发送到身体深处并收受返回的反响。膜的运动受到膜与基底之间极小的间隙的束缚。这束缚了可能发作的声波的幅度。将差别尺寸的 CMUT 修设阵列组合到单个探头中以增补频率界限也会损害压力输出，由于它淘汰了每个频率可用的探头面积。

　　这些题目的治理计划来自斯坦福大学的 Khuri-Yakub 实行室。正在2000 年代初期的实行中 ，考虑职员展现，增补 CMUT 类组织上的电压会导致静电力战胜膜的克复力。结果，膜的中央塌陷到基底上。

　　塌陷的薄膜一起先仿佛是灾难性的kb官网，但毕竟外明这是一种使 CMUT 更高效、更能合适差别频率的本领。因为接触区域边缘的间隙特地小，从而增补了那里的电场，是以效用进步了。况且压力增补是由于角落边缘的大环形区域依然具有优良的运动界限。别的，只需转化电压即可调理修设的频率。反过来，这使得单个 CMUT 超声探头也许高效地发作医疗诊断所需的全部超声频率界限。

　　从那时起，咱们花了十众年的时辰来阐明和模仿 CMUT 阵列的杂乱机电举止并治理修制题目。对这些修设实行修模特地棘手，由于每个 CMUT 阵列中都少睹千个零丁的膜彼此用意。

　　正在修制方面，挑拨搜罗寻找适合的资料并开拓坐褥平滑轮廓和一概间隙厚度所需的工艺。比如，分开导电膜和基板的薄介电层务必以 1 μm 的厚度经受约 100 伏的电压。假使该层有缺陷，则电荷也许会注入个中，而且器件也许会正在角落处或当膜接触基板时短途，从而损坏器件或起码下降其本能。

　　不外，最终，荷兰埃因霍温的飞利浦工程治理计划公司和新竹的台积电 (TSMC) 等 MEMS 代工场开拓出了这些题目的治理计划。2010 年阁下，这些公司起先坐褥牢靠、高本能的 CMUT。

　　早期的 PMUT 计划也难以发作足够的压力来用于医疗超声。但它们也许足以正在某些消费类运用中阐述用意，比如 手势检测和亲密传感器。正在这种“空中超声波”用处中，带宽并不要紧，频率可能低于 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 得回了意念不到的提拔。正在这种本领的初次演示中，加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校的考虑职员将大约 2,500 个 PMUT 元件结合到 CMOS 电子器件，并将它们安置正在硅橡胶类层下。当指尖按正在轮廓上时，原型会衡量 20 MHz 反射信号的振幅，以辨别指尖的脊和指尖之间的气穴。

　　这是正在硅芯片上集成 PMUT 和电子器件的令人印象深切的演示，它证明大型 2D PMUT 阵列可能发作足够高的频率，可用于浅层特质的成像。但为了杀青医疗超声范围的超过，PMUT 时间须要更大的带宽、更大的输出压力以及更高效用的压电薄膜。

　　总部位于日内瓦的ST 微电子 公司等半导体公司供给了助助 ，该公司找到了何如将 PZT 薄膜集成到硅膜上的本领。这些薄膜须要异常的加工次序来维系其特点。但本能的进步使得异常次序的本钱变得值得。

　　为了杀青更大的压力输出，压电层须要足够厚，以使薄膜也许经受优良的超声图像所需的高电压。但厚度增补会导致膜变得更坚硬，从而下降带宽。

　　一种治理计划是操纵卵形 PMUT 膜，该膜可有用地将众个差别尺寸的膜组合成一个。这相似于转化吉他弦的长度来发作差别的调子。卵形膜以其窄截面和宽截面正在统一组织上供给众种长度的串。为了以差别频率有用地振动膜的较宽和较窄一面，将电信号施加到安置正在膜的相应区域上的众个电极。这种本领使 PMUT 正在更宽的频率界限内维系高效。

　　2000 年代初期，考虑职员起先将用于医学超声的 CMUT 时间推向实行室并进入贸易开拓。斯坦福大学针对这个商场建设了几家草创公司。GE、飞利浦、三星和日立等领先的医学超声成像公司起先开拓 CMUT 时间并测试基于 CMUT 的探头。

　　但直到2011年，CMUT贸易化才真正起先博得进步。那一年，一个具有半导体电子体味的团队创立了蝴蝶搜集。2018 年 IQ Probe 的推出是一次革新性事项。它是第一个可能通过 2D 成像阵列对全身实行成像并天生 3D 图像数据的手持式超声探头。该探测器的巨细与电视遥控器相当，仅稍重极少，最初售价为 1,999 美元，是全尺寸推车式呆板本钱的二相等之一。

　　大约正在同暂时间，东京的日立公司和中邦姑苏的 Kolo Medical（以前位于加利福尼亚州圣何塞）将基于 CMUT 的探头贸易化，用于守旧超声编制。但两者都不具备与 Butterfly 相仿的才干。比如，CMUT 和电子修设没有集成正在统一块硅芯片上，这意味着探头具有一维阵列而不是二维阵列。这束缚了编制天生 3D 图像的才干，而这正在高级诊断中是必定的，比如确定膀胱体积或查看心脏的同步正交视图。

　　这些探头中的超声波 MEMS 芯片尺寸为 2 x 3 厘米，是最大的硅芯片之一，具有机电和电子成效。尺寸和杂乱性给器件的匀称性和产量带来了坐褥挑拨。

　　这些手持修设以低功耗运转，是以探头的电池重量轻，正在修设结合得手机或平板电脑时可继续操纵几个小时，而且充电时辰短。为了使输出数据与手机安乐板电脑兼容，探头的主芯片实践数字化以及极少信号统治和编码。

　　为了供给 3D 音信，这些手持式探头获取众个 2D 剖解切片，然后操纵呆板进修和 AI 来构修需要的 3D 数据。内置的基于人工智能的算法还可能助助大夫和护士将针无误地安置正在所需地点，比如具有挑拨性的脉管编制或其他结构实行活检。

　　为这些探头开拓的人工智能特地好，以致于未受过超声波培训的专业职员（比如护士助产士）可能操纵便携式探头来确定胎儿的胎龄，其正确度与始末培训的超声波技师相通。NEJM Evidence 2022 年的一项考虑 。基于人工智能的成效还可能使手持式探头正在急诊医学、低收入境况以及医学生培训方面阐述用意。

　　这仅仅是小型化超声波的起先。搜罗台积电和意法半导体正在内的几家环球最大的半导体代工场现正在区别正在 300 毫米和 200 毫米晶圆上坐褥 MEMS 超声波芯片。

　　毕竟上，意法半导体比来正在新加坡建设了一个特意用于薄膜压电 MEMS 的“工场实行室”，以加快从观念验证到批量坐褥的改观。Philips Engineering Solutions为 CMUT-on-CMOS 集成供给 CMUT 修制，位于法邦图尔的Vermon供给贸易 CMUT 计划和修制。这意味着草创公司和学术整体现正在可能得回根基时间，从而以比 10 年前低得众的本钱杀青新的立异秤谌。

　　通过全盘这些举止，行业剖判师估计超声波 MEMS 芯片将集成到很众差别的医疗修设中，用于成像和传感。比如，Butterfly Network 与 Forest Neurotech团结，正正在开拓用于脑机接口和神经调理的 MEMS 超声波。其他运用搜罗长久、低功耗可穿着修设，比如心脏、肺和大脑看管器，以及病愈中操纵的肌肉举止看管器。

　　来日五年，估计将显现采用超声波 MEMS 芯片的微型无源医疗植入物，个中操纵超声波长途传输电力和数据。最终，这些手持式超声探头或可穿着阵列不只可能用于剖解组织成像，还可能读取人命体征，比如因为肿瘤滋长或手术后深部结构氧合导致的内部压力转移。有一天，相似指纹的超声波传感器可能用来衡量血流量和心率。

　　有一天，可穿着或植入式版本也许会正在咱们睡觉、用膳和生存时天生被动超声图像。