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可穿戴超声长期受困于两大矛盾：刚性探头的高成像质量与柔性贴片舒适性不可兼得，PMUT阵列则始终在灵敏度与带宽之间“踩跷跷板”。天津大学联合多家机构提出基于互辐射阻抗数学模型的系统性设计框架，成功制备出长宽比7:1、中心频率7 MHz、脉冲回波带宽超60%的超窄AlN PMUT阵列，并在志愿者颈动脉、甲状腺、足背动脉上实现了连续实时相控阵成像。这不仅是PMUT阵列成像质量的一次跃升，更可能重写可穿戴超声贴片的产品逻辑。
如果要评选过去五年生物医学工程领域“最令人兴奋又最令人遗憾”的技术方向，可穿戴超声贴片无疑排得上号。
令人兴奋，是因为它描绘了一个极具想象力的未来：患者无需往返医院，医生可以远程、连续、实时地监测心功能、血流动力学、甚至肿瘤变化。令人遗憾，则是因为多数原型产品至今仍停留在“能看见血管轮廓”的初级阶段，距临床诊断所需的图像质量还有明显差距。
问题的根源并不复杂，却难以解决。
第一重困局：刚性基底与柔性贴片的性能悖论
传统的超声探头——比如飞利浦L12-3ERGO——采用块状压电陶瓷（PZT），成像质量堪称“金标准”。但它又大又硬，必须由专业超声医师手持操作，完全不适用于长期佩戴。
可穿戴贴片的方向是将换能器做小、做薄、做软。但柔性基底的形变会导致阵元相对位置偏移，产生运动伪影和几何失真，反而拉低了本来就有限的成像质量。这是一条“舒适性与稳定性”的零和博弈。
第二重困局：PMUT阵列的灵敏度-带宽-一致性“不可能三角”
压电微机械超声换能器（PMUT）是MEMS技术的产物，其优势显而易见：小型化、低功耗、可批量制造、无需高压偏置、易于与系统集成。这些特性使其成为可穿戴超声的理想候选。
但PMUT在成像性能上长期“欠账”。根据论文中对文献的系统回顾：
· Savoia等人的PZT-PMUT（STMicroelectronics），中心频率2.5 MHz，带宽81%，但实际成像噪声显著；
· Zhang等人的2D PZT-PMUT阵列，中心频率2.9 MHz，带宽仅25.5%；
· Pandit等人的ScAlN-PMUT，带宽高达117%，但中心频率仅2.4 MHz，分辨率受限；
· Zhao等人的高频PZT-PMUT（~11 MHz，68%带宽）采用了矩形振膜和模式融合，灵敏度仍不尽理想。
更关键的是，PMUT在高频段（5~12 MHz，用于浅表器官成像）同时实现高灵敏度、大带宽和高阵列一致性，几乎没有先例。 文献中直言：现有PMUT阵列要么灵敏度不足，要么带宽收窄，要么阵元间差异过大导致波束成形劣化。
第三重困局：依赖“试错”的设计方法论瓶颈
现有PMUT阵列的设计严重依赖有限元仿真（FEM）。对于一个中等规模的阵列，单次仿真可能需要30分钟甚至更久，且无法给出清晰的物理直觉。“试错”式的设计周期极长。
论文中做了一个非常直接的对比：用FEM计算一个20单元阵列的声场需约30分钟，而他们提出的等效电路模型（ECM）仅需约3秒——效率提升600倍。
换句话说，PMUT阵列的“设计方法论”本身，就是一块短板。
这正是本研究想要击穿的壁垒。
这项研究的核心贡献，并非某一种孤立的工艺优化，而是一个从数学模型→设计准则→器件实现→人体验证的完整闭环。我们把其中最具技术深度的部分拆解来看。
图1：用于颈动脉成像的高均匀性PMUT阵列。
2.1 高效能计算工具：基于互辐射阻抗的等效电路模型
PMUT阵列之所以难以设计，核心物理问题在于声学耦合。每个振膜不仅向外辐射声波，还会被邻近振膜产生的声场“推回去”，这种互辐射效应会改变每个单元的振动幅度和相位。当阵元间距、阵列尺寸变化时，耦合效应的空间分布极不均匀，导致边缘与中心单元响应差异显著。
传统的有限元方法需要同时求解声-固耦合方程，计算量巨大。研究团队提出的ECM则把整个阵列简化为一个阻抗网络方程：
其中Zmult正是互辐射阻抗矩阵，它量化了任意两个单元之间的声学耦合强度。一旦计算出每个单元的振动速度v，就可以进一步得到位移和辐射声场。
这一模型的精妙之处在于：它将一个复杂的多体耦合问题，转化为可用普通计算机在秒级时间内求解的线性代数问题。
2.2 设计准则的修正：两项关键结论
通过该模型，论文揭示了两个对PMUT阵列设计具有普遍指导意义的规律：
具体数据：
· 当阵元间距从150 μm缩小到50 μm时，内部单元位移标准差从0.14 nm降至0.0097 nm，相位标准差从5.2°降至0.68°。
· 归一化超声输出和-6 dB带宽均在最小间距（50 μm）处达到最大值。
这颠覆了一个常见误区：小间距不是为了“塞进更多单元”，而是利用声学耦合来“驯服”阵列的不均匀性。
2.3 器件实现：64通道、5760个单元、7:1宽高比
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基于上述设计准则，研究团队实际制备了一款超窄线性AlN PMUT阵列：
· 通道数：64（相控阵成像）
· 总单元数：5760（每通道30×3个单元并联）
· 单元直径：40 μm
· 阵元间距：50 μm
· 通道间距：167 μm（< 7 MHz超声波长的80%）
· 有效孔径：1 cm（长）× 0.15 cm（宽），面积仅0.15 cm²
· 振膜结构：Mo(100nm)/AlN(500nm)/Mo(100nm)/SiO₂(1200nm)
通道之间刻蚀了5 μm深的沟槽，以抑制机械串扰。整个阵列仍基于刚性硅基底，但通过7:1的极端宽高比贴合皮肤曲率——用刚性实现了“柔性贴合”的效果，同时避免了柔性基底的位置漂移问题。
理论的正确性最终要落到数据上。这项研究的验证维度相当完整。
3.1 核心声学性能指标
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值得注意的一个细节：其脉冲回波带宽（63%）显著高于典型PMUT的<20%（6~7 MHz频段）。这意味着该阵列能够发送更短的脉冲，从而获得更好的轴向分辨率。
3.2 在体成像验证：三个关键解剖部位
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研究团队在健康志愿者身上完成了三种浅表器官的实时相控阵成像：
图2：PMUT阵列针对颈动脉、甲状腺、足背动脉三种浅表器官的超声成像。
1. 颈动脉系统：长轴切面清晰显示前壁、后壁和内膜-中膜复合体，管径约6 mm；短轴切面与长轴测量一致，颈内动脉、颈外动脉、颈动脉窦均可分辨。视频记录显示血管壁随心动周期的节律性搏动。
2. 甲状腺：横切面显示左叶呈翼状均匀稍高回声结构，纵切面呈扁卵圆形，形态与健康人标准解剖一致。
3. 足背动脉：深度<10 mm，管径约2.2 mm，前后壁清晰可辨，下方可见骨骼强回声及声影。
这些成像结果的意义在于：它们不是“在理想体模上得到的最优结果”，而是在真实人体上、由不同操作者（包括超声专家和非专业人员）重复获取的连续实时图像。
3.3 功能性扩展：中心动脉血压波形重建
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论文还展示了一个更具临床想象空间的应用——利用实时颈动脉超声图像逐帧提取管径变化，再结合动脉僵硬度系数β，反推中心血压波形。
图3：通过超声影像与PMUT阵列进行代表性中央血压监测。
在两个心动周期内，颈动脉舒张末期内径约5.2 mm，收缩期扩张至约6.1 mm，与临床系统EPIQ 5测量值的偏差约7.7%。虽然当前精度尚不能替代有创血压测量，但这一技术路线一旦成熟，将实现无创、连续、可穿戴的中心血压监测——这是目前袖带式血压计和桡动脉平面压力法都难以做到的。
4.1 对学术界的贡献
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该研究提出的ECM/RECM模型，为PMUT阵列设计提供了一个可解析、可推广的数学框架，而非“黑箱式”的有限元调参。论文中关于“小间距改善均匀性”和“窄孔径保持分辨率”的两个设计准则，具有跨材料体系（AlN、PZT、ScAlN）和跨频率范围的普适性。
这可能会改变PMUT阵列的研究范式：从“先制造后测量”转向“先预测后制造”。
4.2 对产业界的启发
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目前市场上尚未出现真正达到临床诊断级别的可穿戴超声贴片。主要障碍正是本文所解决的核心问题——高频、宽带、高一致性的小型化阵列。
本研究展示的器件尺寸仅0.15 cm²、功耗约15.6 mW，远低于传统PZT探头的功耗（数倍到一数量级）。该阵列连续工作半日（~5小时）未见性能衰减，表面温度稳定在31.4±0.5°C，处于皮肤舒适范围内。
这意味着，一个可以贴在颈部、连续监测血压和血流的“超声贴片”，在工程上已不再遥不可及。
此外，该研究采用的是无铅AlN压电薄膜，相比PZT具有更好的生物相容性，这对于需要通过医疗器械审批的可穿戴设备而言是一个重要加分项。
4.3 商业化落地的现存差距
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客观而言，从实验室器件到消费级或临床级产品，仍有几道坎需要跨越：
1. 声压输出仍需提升：该阵列的聚焦声压（~400 kPa）约为传统探头（>1 MPa）的40%。虽然对3 cm内的浅表成像已足够，但若要覆盖更深组织或需要更高对比度的病变，可能仍有不足。论文中坦承，这也是商用EPIQ 5系统图像质量优于Verasonics+PMUT组合的原因之一。
2. 封装与系统集成：当前实验采用Verasonics Vantage 256大型研究平台，距离真正的“可穿戴”还有一段距离——后端电子系统的微型化、低功耗化、无线化是必经之路。
3. 成像质量的操作者依赖性：论文特别指出，超声专家的操作成像质量显著优于非专业人员。这说明该阵列对波束成形和后处理算法仍有较高依赖，需要进一步降低使用门槛。
4. 长期稳定性与法规审批：虽然半日测试未见衰减，但面向连续监测（如24小时血压监测）的长期可靠性尚需验证。作为二类或三类医疗器械，需要走完完整的注册检验和临床试验路径。
这项研究的价值是真实的，但其边界也是清晰的。
它最大的贡献，是为PMUT阵列找到了一个“可计算的、可优化的”设计路径，并用量化数据证明：在7 MHz频段、60%以上带宽、0.26 mm分辨率、0.15 cm²极小面积这些约束条件下，同时实现可穿戴与高成像质量是可能的。
但它并非万能钥匙。对于更深组织的成像（如心脏、肝脏），目前的声压输出和穿透深度（>3 cm）仍显不足；对于需要极高帧率的应用（如弹性成像），PMUT的灵敏度是否足够？
可穿戴超声的终极形态，可能不是“把大探头做小”，而是“用MEMS重新定义超声成像”。这篇论文让我们看到了后一种路径的可行性——而这，才是它真正值得被关注的原因。
Xu, X., et al. High-uniformity miniaturized PMUT array with broadband and high-sensitivity for wearable ultrasound imaging. Microsystems & Nanoengineering 12, 200 (2026).
END
撰文 | 郝娅婷
排版 | 周宇茜
审核 | 医工学人理事会
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