高均一性微型化PMUT阵列，具有宽带和高灵敏度的可穿戴超声成像

用温和的贴片洞察体内

超声检查通常使用体积较大的手持探头并需用力压在皮肤上。试想一种更薄、更舒适的贴片，它可以安静地全天监测你的动脉和器官，而不会妨碍日常活动。本研究描述了这样一种设备：一种微型化超声贴片，能够在保持小巧、低温和低能耗以适合长期佩戴的同时，清晰成像浅表血管和腺体。

一种新型微小超声单元

贴片的核心是由数千个微观“鼓膜”组成的阵列，它们能将电能转为声能并将声能转回电信号。这些称为PMUT的单元由超薄金属层、类似玻璃的材料和在施加电压时响应的特殊晶体制成。当许多这样的单元一起振动时，它们像常规医院探头一样发送和接收超声波，但体积和重量远小于手持设备，适合做成可佩戴的条带。

解决不均匀声场的问题

要获得清晰图像，阵列中每个微小单元的行为必须几乎一致。如果有些单元振幅更大或与邻近单元不同步，声束就会变得模糊，图像的清晰度和对比度会下降。研究团队开发了一个快速数学模型，用以预测每个单元的运动以及通过水或组织相互作用时的影响。他们发现将单元更紧密地排列能显著改善振动的一致性，尽管单个单元的位移会略小一些。致密排列增加了有效活性面积，并利用了来自每个单元的声波如何“轻拉”邻居进入同步的特性。

在更小空间内获得更强声能和更宽频带

借助该模型，研究人员考察了单元间距、布局和阵列整体形状如何影响声强和可用频率范围。高质量的医疗影像既需要足够强的回波以达到成像深度，又需要宽频带以呈现细节。他们的计算和实验表明，减小单元间隙可以提高整体声输出并扩大可用频带。基于这些洞见，他们设计了一条极长且极窄的条带，尺寸仅为1厘米乘0.15厘米，谐振频率约为7兆赫兹，这一频段非常适合对皮肤下几厘米内的结构进行清晰成像。

舒适的贴片可观察血管和腺体

最终设备为一款64通道线性阵列，每个通道包含多个并联工作的单元。其封装在柔软硅胶中，并安装为可轻贴在颈部或足背等弧形体表。尽管体积小、功耗低，该贴片仍能产生侧向和深度分辨率约为0.25毫米左右的图像，足以区分浅表组织中的细小结构。在志愿者测试中，它清晰显示了颈部主要动脉、甲状腺以及足背的小动脉。通过追踪颈动脉随心跳轻微扩张与收缩的变化，系统能够从视频帧随时间重建出逼真的中心血压波形。

对日常健康检查的意义

简而言之，作者展示了如何将复杂的超声探头缩小为薄型可穿戴条带，同时在浅表目标上不牺牲成像质量。通过精心排列并建模成千上万个微小声源单元，他们实现了高均一性、高效率且足够舒适以长期佩戴的设备。这一方法使对关键血管和器官的连续高分辨率监测更为可行，为在日常生活中悄然监测心血管疾病早期迹象的贴片铺平了道路。

引用: Xu, X., Yang, W., Wang, Z. et al. High-uniformity miniaturized PMUT array with broadband and high-sensitivity for wearable ultrasound imaging. Microsyst Nanoeng 12, 200 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01331-z

关键词: 可穿戴超声, PMUT阵列, 医学影像, 动脉监测, 超声贴片