超声换能器的最新进展：从材料策略到生物医学应用

医用超声以其安全、低成本、便捷等独特优势，在生物医学工程领域得到了广泛应用。超声换能器作为超声系统的核心部件，在系统应用中扮演着极其重要的角色。为了满足精准医疗的需求，如何进一步提高超声换能器的性能是其面临的主要挑战。近期，华中科技大学的朱本鹏教授联合美国南加州大学的世界著名超声领域专家K. Kirk Shung教授在《生物医学工程前沿（BMEF）》期刊上发表了题为“Recent Advancements in Ultrasound Transducer: From Material Strategies to Biomedical Applications”的综述文章，总结了近期压电和光致超声换能器研究的最新发展动态，主要涉及材料选择、器件设计和医学应用等，其中医学应用包括超声成像、超声治疗、粒子/细胞操作、药物递送和神经刺激等（图1）。

图1 压电/光致超声换能器研究策略示意图

论文作者首先从电声和光声转换两种方式对超声产生的机理进行了讨论。传统的超声波发生装置是基于压电式换能器，通过将电能转换为振动，从而产生超声波。压电式换能器作为一种电驱动装置，通常具有三层结构，即压电层、背衬层和匹配层（图2（a））。用于超声换能器制造的压电材料包括含铅材料和无铅材料，其性能表征参数主要包括压电系数（d33）和机电耦合系数（kt）。

     作为压电换能器的重要补充，光声换能器因其抗电磁干扰、制作工艺简单等特性而备受关注。其原理是基于贝尔在1880年发现的光声效应，即将脉冲激光转换为超声波。光声换能器的核心部分是光声材料，通常包括光吸收材料和热膨胀材料（图2（b））。光吸收材料通过非辐射跃迁机制实现光热转换（DT），包括金属薄膜、碳纳米材料和钙钛矿等。同时，基于热弹性原理，热膨胀材料通过周期性热膨胀发射超声波（P）。导热系数作为光声材料的重要性能参数，直接影响光吸收材料和热膨胀材料之间的传热，进而影响光声能量转换效率和频率。一般而言，光声换能器的理想热膨胀材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS），因为其热膨胀系数高、比热容低、透明度高。

图2（a）压电换能器和（b）光声换能器的原理示意图

 在生物医学应用方面，压电换能器主要应用于医疗成像、声镊和植入式治疗监测设备等。对于医疗成像，主要包括血管内超声（IVUS）成像、内脏内窥镜超声成像（EUS）、超声生物显微镜等（图3）。由于IVUS能够直接成像血管壁，可以准确评估管腔大小、斑块特征和钙含量，使其成为心血管疾病诊断的重要工具，已广泛应用于临床诊断。EUS作为一种诊断成像方法，其原理是利用超声波获取人体内部器官的图像，如胸部、腹部和结肠等，从而显示器官壁和周围结构。超声生物显微镜的成像距离相对较深，视野较大，无论可疑病变是在光学透明还是不透明介质中都具有较好的效果，已用于实时疾病诊断。

图3 压电超声成像应用：（a）用于动脉粥样硬化斑块成像的超快IVUS-OCT系统；（b）用于IVUS成像的双元件聚焦换能器；（c）双模态光声和超声内镜成像；（d）用于猪肠二维和三维内窥镜成像的圆形阵列；（e）用于斑马鱼眼生物显微镜成像的超高频超声换能器；（f）视网膜层的ARF-OCE图像

与光镊、电镊和磁镊相比，声镊对生物体具有无创特性，适用于大多数微粒。声镊能够通过声辐射力，使各种尺寸和材料的颗粒悬浮在空气和水中。如图4所示，单光束声镊（SBAT）具有显著的捕获力和高穿透深度，早已成为一种很有前途的微粒操作手段，在体内和临床应用中显示出巨大的潜力。此外，研究人员还开发了植入压电换能器，用以破坏血脑屏障，促进药物进入大脑。

图4 声镊应用：（a）SBAT聚焦环形超声换能器；（b）特定尺寸微球或细胞的SBAT操纵；（c）单个细胞操作的自聚焦超声换能器；（d）用于操纵一定尺寸范围微粒的单元件超声换能器；（e）用于操纵DNA质粒和mRNA的高频声镊

光声换能器在生物医学方面同样有着广泛的应用，主要包括全光型超声成像（图5）、超声手术、药物递送和神经刺激等。光声换能器可以产生峰值压力为MPa级的高频脉冲超声，在高质量及高分辨的组织成像应用中具有巨大潜力。同时，全光型超声成像具有体积小、成本低、抗电磁干扰等优势。

图5全光型超声成像应用：（a）体外人体淋巴结的超声成像；（b） 用于心脏运动检测的超声系统；（c） IVUS成像的超声技术；（d） 用于鱼眼成像的全光超声成像系统

通过应用光声透镜，在凹面上涂覆光声复合材料以产生聚焦超声（LGFU），使得光声换能器的声压得到了极大的提高。研究人员已经使用高强度光致超声进行了超声溶栓、碎石治疗、药物释放、高精度空化切割等探索。此外，光致超声神经刺激作为一种新兴的神经调节方式，随着对活体动物的研究，未来有望将光致超声应用于人体的神经调节和大脑刺激（图6）。

图6 光声医学其他治疗应用：（a）LGFU对固体材料的微尺度碎片；（b）光声换能器用于溶栓；（c）光声换能器用于切割组织；（d）光声换能器用于微粒运动控制；（e）光声换能器用于药物输送；（f）光声换能器用于神经元刺激；（g）光声纳米换能器用于靶向神经调节；（h）光声换能器用于单个神经元刺激

众所周知，超声换能器的材料选择和结构设计对其声学性能有着至关重要的影响，实现性能优良的新材料研制以及和声学结构的创新是超声换能器不断发展的两大永恒主题。为了促进超声换能器在生物医学工程领域的应用，实现超声换能器的小型化封装、阵列化设计和多功能集成是其重要发展趋势。此外，3D打印、柔性电子和人工智能等新技术的不断涌入也有望为传感器设计带来创新概念。

团队介绍

华中科技大学为本论文的第一完成单位，朱本鹏教授为论文的通讯作者，博士后李家普和硕士马宇庆为该论文的共同第一作者。朱本鹏教授，中组部“万人计划”青年拔尖人才计划入选者，湖北省杰出青年基金项目获得者；一直从事医学超声的物理基础与应用研究，担任中国声学学会医学超声工程分会委员、生物医学工程学会青年委员会委员、中国医学装备协会超声装备技术分会超声换能器与材料专业委员会常务委员、Biomedical Engineering Frontiers青年编委、Advanced Fiber Materials青年编委；主持国家自然科学基金3项，科技部重点研发计划课题任务2项，湖北省对外科技合作项目1项；以第一或者通讯作者在 Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Nano Energy、Photoacoustics、IEEE BME、IEEE UFFC等综合、物理声学和材料类国际权威期刊发表50余篇论文，H因子22，其中ESI高被引论文 3 篇，热点论文 2 篇，授权发明专利 14 项。

原文链接：

https://doi.org/10.34133/2022/9764501

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About BMEF

BMEF(《生物医学工程前沿》)是中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(SIBET CAS)与美国科学促进会(AAAS)/Science合作出版的开放获取国际学术期刊。期刊旨在为生物医学工程这一交叉学科提供一个高效的交流平台，以推动领域内的科学家、工程师和临床医学专家及时地交流，共同促进人类健康。关注在致病机理研究和疾病预防、诊断、治疗及评估方面取得的突破性进展，包括概念、设备、材料、组织、过程和方法。致力于报道临床前的基础研究、转化医学和临床研究的成果。

期刊网址：

https://spj.sciencemag.org/journals/bmef/

投稿网址：

https://www.editorialmanager.com/bmef/

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