一百多年来，这颗“心脏”一直有个脾气：要让它在人体里发出足够强的声波，往往需要几十甚至上百伏的电压。这对医院里插着电源的超声机不算问题，对想要贴在身上、靠电池工作一整天的可穿戴超声，却是一道难题。
近日，中国科学院微电子研究所的研究团队，联合清华大学生物医学工程学院和中国人民解放军总医院等机构，报告了一种只需 5 伏电压驱动的可穿戴超声阵列。
5 伏是什么概念？大致就是一个普通 USB 接口的电压。而论文梳理的此前多款可穿戴超声贴片，驱动电压大多在 50 到 100 伏之间。
这款超声阵列直接在 6 英寸硅片上批量制造，带宽达到 81.7%。在体外仿体中，它能看到 9 厘米深的目标；在人体上，它清晰拍到了 4 厘米深处的颈动脉前后壁，并在一名志愿者的颈部连续监测血压长达 9 小时。
简言之就是：用八种不同大小的微型“鼓膜”凑成一个宽频的“合唱团”，让低电压也能拍出清晰的血管超声。那么，低电压和宽频带为什么难以兼得？这块硅片又是怎么绕过这个矛盾的？
可穿戴超声的“电压难题”
先说说为什么要把超声贴在身上。
血压、血流、心脏功能这些深层的血流动力学指标，对心血管疾病的早期发现和干预至关重要。传统的超声检查需要医生手持探头操作，只能拍一个“瞬间”。近年来，以加州大学圣地亚哥分校徐升团队为代表的多个研究组开发出可穿戴超声贴片，能连续监测颈动脉血压、血流甚至心脏的射血功能。
这些贴片大多使用传统的块状压电陶瓷（如锆钛酸铅，即 PZT）或压电复合材料。它们声学性能出色，但论文指出，要让声波穿透人体组织、在深处形成足够强的回声，通常需要 10 伏到 90 伏以上的驱动电压。论文统计的几项代表性工作中，有的用 50 伏，有的用 90 伏，甚至 100 伏。
高电压会带来一连串连锁反应：需要专门的高压驱动芯片或升压电路，系统更复杂、体积更大、更耗电。而手机、手表里的标准 CMOS 芯片，工作电压通常在 5 伏以下。如果超声探头能直接在这个电压下工作，就有望和处理芯片集成在一起，做成单芯片的“超声系统”。
一条可能的路，是微机电系统（MEMS）超声，具体来说是“压电微机械超声换能器”（piezoelectric micromachined ultrasonic transducer，下文简称 pMUT）。
它的结构有点像一面微型鼓：在硅片上刻出一个个直径一百微米左右的空腔，空腔上方是几微米厚的薄膜，薄膜上叠着压电材料和电极。通电时，薄膜像鼓面一样上下振动，发出超声波。由于薄膜极薄，它只需很低的电压就能振动起来。
问题在于，这种“小鼓”有一个先天短板：频带窄。
论文指出，在超低电压下工作的薄膜式 pMUT，发射效率有限，带宽通常小于 30%。带宽窄意味着什么？打个比方，一面只会发一个音高的鼓，敲一下会“嗡”地响很久。超声成像靠的是回声的时间差来分辨深度，如果每个回声都拖着长长的尾音，相邻的两个界面就会混在一起，图像的轴向分辨率随之下降。
此前已有不少研究尝试拓宽 pMUT 的带宽，但论文指出，这些工作大多停留在单个器件的理论分析，或者在不到 5 毫米深的液体仿体里测试。真正要拍 2 厘米以上深的人体血管，现有的宽频 pMUT 平台仍需要把电压提回到 50 伏。
八种“小鼓”的合奏
团队的解法是“频率合并”。
既然一面鼓只能发一个音，那就把不同大小的鼓放在一起。每个通道里，团队布置了 3 × 8 共 24 个 pMUT 单元，空腔直径从 90 微米到 125 微米，每隔 5 微米一档，共八种尺寸。同样大小的三个单元横向串联，以增强输出；八种尺寸纵向并联，组成一个通道。整个阵列共有 64 个这样的通道，相邻通道间距 520 微米。
鼓面越小，振动频率越高。仿真显示，单独工作时，90 微米的单元谐振频率约 7.4 兆赫，125 微米的单元约 3.4 兆赫，八种尺寸的谐振峰从低到高依次排开。
关键在于把它们放进水里，或者贴到人体上之后。液体会把相邻的鼓面“耦合”起来：一面鼓振动时推动周围的液体，液体又带动旁边的鼓面。原本彼此独立的八个窄峰，就这样被“连”成一条连续的宽频曲线。
这有点像一套大小不同的编钟：单独敲，每个钟只发一个音；一起敲，就能覆盖一段连续的音域。
为了把这种耦合算清楚，团队建立了一个横跨电学、力学和声学三个领域的等效电路模型，专门计算相邻单元之间的“互辐射阻抗”，并用有限元仿真交叉验证。计算表明，单元间距越小，耦合越强，带宽越宽，但输出幅度会略有下降。团队最终选择了 40 微米的最小间距：仿真显示，这一间距下发射带宽增加约 10.5%，代价是输出幅度降低约 9.7%。按模型预测，这种设计的往返带宽可达 65%（等效电路）到 75%（有限元）。
论文也坦言，这是一种取舍：频率一致的阵列能在单一频率上获得最强的峰值灵敏度，而频率合并设计主动牺牲一点峰值幅度，换来大幅拓宽的带宽。
制造上，团队用的是标准的半导体批量工艺。他们在 6 英寸绝缘体上硅（SOI）晶圆上，依次沉积铂电极、3 微米厚的压电层（PZT）和顶电极，刻出八种尺寸的图形，覆盖氮化硅保护层，最后从硅片背面用深反应离子刻蚀“挖”出空腔。SOI 晶圆中间那层二氧化硅充当天然的“刹车”，让刻蚀精确停在膜片下方，5 微米厚的硅膜片因此能被干净地释放出来。
论文特别提到，压电层在 500 摄氏度下溅射沉积，残余应力低于 50 兆帕，这是保证膜片平整、整片晶圆性能一致的关键。
从“八个峰”到“一座山”
设计是否奏效，需要实验来验证。
在空气中测量一个通道的电学阻抗，团队看到了清晰的八个谐振峰，正好对应八种尺寸的膜片。用数字全息显微镜观察膜片振动也印证了这一点：在 4.8 兆赫时，只有最大的 125 微米膜片振幅最大；在 6 兆赫时，则轮到更小的膜片。
但一旦放进水里，情况就变了。全息显微镜显示，在 2.8 到 9.6 兆赫的整个扫频范围内，所有尺寸的膜片都在同步振动。原本分立的“八个峰”，变成了一座连绵的“山”。
这里有两个带宽数字，容易混淆。
扫频测试中，团队在 2 到 10 兆赫之间逐个频率激发，测得的回波包络带宽高达 136%。但论文明确指出，实际成像用的是以 5 兆赫为中心的短脉冲激发，这种条件下测得的 −6 分贝脉冲回波带宽为 81.7%，中心频率 4.37 兆赫。决定成像分辨率的，是后者。
即便如此，81.7% 也远高于传统低电压 pMUT 通常不到 30% 的水平。论文称，其宽频响应优于传统基于块状压电陶瓷的可穿戴超声器件。
一致性方面，用于人体测量的 16 个通道谐振频率都稳定在 5 兆赫左右，最大偏差不到 2.61%。通道之间的串扰也衰减得很快，到第三个相邻通道时平均降至 −23.6 分贝，保证各通道能独立工作。
接下来是成像。团队在仿组织材料中埋入一排直径 100 微米的细丝，从 30 毫米到 90 毫米深依次排列，用这块 5 伏驱动的阵列成像，并与一款商用凸阵探头在相同的 5 伏激发条件下对比。
结果显示，采用聚焦发射策略时，阵列能清晰看到 9 厘米深的细丝。在 3 厘米深处，轴向分辨率为 0.64 毫米，横向分辨率约 1.27 毫米。论文称，测得的分辨率与仿真吻合，并与商用探头处于可比水平。
在模拟血管的仿体中，阵列也清楚分辨出了“血管”的前后壁。
贴在脖子上的 9 小时
最后是人体实验。团队把 5 伏驱动的阵列接入一套商用超声成像系统，启用 16 个通道。论文称，在这样的激发参数下，机械指数和软组织热指数都远低于安全阈值。
在颈部，这块小小的阵列拍出了颈动脉的 B 型图像，在最深约 4 厘米处分辨出了血管的前后壁，与同一平台上商用线阵探头拍到的解剖结构高度一致。在颈动脉、肱动脉和桡动脉三处，它还连续记录了动脉壁随心跳起伏的 M 型图像。
有了动脉壁的运动轨迹，就能逐搏算出血管直径的变化，再换算成血压波形。
团队首先在同一名受试者的三个部位测量了血压波形，并与商用动脉张力测量仪的同步记录对比，两者的波形形态高度一致。
更有意思的是，这块贴片捕捉到了一个经典的生理现象：“外周脉压放大”。心脏射出的压力波沿动脉向外传播，在远端的小动脉处发生反射。在桡动脉这样的外周部位，反射波与主波同步叠加，收缩压峰值被放大；而在颈动脉这样的中心部位，反射波错峰到达，脉压较低，收缩峰与“重搏切迹”之间的间隔也更宽。从图中读取，桡动脉、肱动脉和颈动脉的脉压大约分别为 60、51 和 44 毫米汞柱（编辑据图读取），呈现由外周到中心递减的规律。
这意味着，同一个人手腕上和脖子上的血压并不一样，而颈动脉血压更接近心脏承受的“中心动脉压”，这也是可穿戴超声把目光投向颈动脉的原因之一。
接着，团队在 6 名受试者（5 男 1 女）的肱动脉上做了对比测量。在用标准听诊式袖带血压计做一次初始校准后，pMUT 阵列连续测得的血压与参考设备的读数平均偏差为 2.2 毫米汞柱。
最后是长时间佩戴测试。一名受试者从上午 9 点到下午 6 点，在颈部连续佩戴了 9 个小时。期间，贴片捕捉到了进食、骑车等活动引起的心率和血压上升，其心率读数与同步记录的心电图高度吻合。受试者未报告皮肤不适，红外热成像也显示贴片表面没有明显升温。
结语
值得注意的是，这项研究在器件和工艺上进展明显，但在临床验证层面仍相当初步，论文也对此作了较为坦率的说明。
首先，血压验证的样本量很小。多人对比只有 6 名受试者，9 小时连续监测只有 1 名受试者。论文还特别说明，波形质量和血压估算目前受操作者影响较大，贴附位置和对准程度会显著影响结果；不同实验人员采集的原始波形形态差异较大，因此论文没有做标准化的跨组统计分析，而是展示了“波形形态稳定的代表性数据”。这意味着，2.2 毫米汞柱的平均偏差应被视为可行性展示，而非经过严格统计检验的准确度。按照国际通行的血压计验证标准，通常需要 85 名以上受试者（编辑注）。
其次，“可穿戴”目前还打了折扣。论文承认，器件目前通过传统引线键合连接到半柔性电路板上，整体结构仍有一定刚性。人体实验中，阵列接入的是一套商用超声成像系统；5 伏只是发射端的驱动电压，整套监测系统的功耗和集成开销尚未定量评估。图 1 中跑步、睡觉等场景是概念示意，实际测试中受试者的活动主要是静坐、进食和骑车等“有限的日常姿势活动”。
第三，几个指标的口径需要留意（编辑注）。带宽有 136%（扫频包络）和 81.7%（脉冲回波）两种口径，决定成像分辨率的是后者。成像深度方面，体外细丝可达 9 厘米，在体 B 型图像可达 4 厘米，但论文也写明，能评估血管壁收缩、舒张的最大深度是 3 厘米。从图中读取，9 小时监测中的血压和心率数据点大约每半小时一个，更接近“长时间多次测量”，而非逐搏的全程连续记录。
此外，论文提到，整片晶圆的均匀性、批次间的重复性和成品率，以及长期佩戴时封装层的可靠性和漏电风险，都还没有系统评估。
路还很长。但至少，当超声探头可以像芯片一样在晶圆上批量生产，用 USB 口那样的电压驱动时，“把一台超声机戴在身上”这件事，离日常又近了一步。
参考资料
Jin, T., Yan, C., Lin, Y. et al. Low-voltage, ultra-broadband wearable MEMS ultrasound: a frequency-merged, wafer-scale framework for continuous in vivo cardiovascular imaging and monitoring. Microsystems & Nanoengineering 12, 356 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01451-6
