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MEMS超声波换能器或将掀起医学影像市场的变革热潮

11月4日消息,据报道,传统超声波换能器是利用块体型压电晶体产生超声波,尽管压电效应已被证实对传输超声波有效,但受生产成本和尺寸的限制,压电晶体技术存在局限性。基于硅芯片的换能器,或称为MEMS超声波换能器(MUT),主要有两种类型:电容式MEMS超声波换能器(CMUT)和压电式MEMS超声波换能器(PMUT),例如CMUT使用硅芯片将电压转换成机械振动。这种换能器极具替代传统超声波换能器的潜力,原因之一是硅片的价格比压电晶体便宜,因此基于硅芯片的换能器比压电晶体换能器更具价格优势;第二是因为压电晶体换能器对制造工艺的要求更高,批量生产的难度更高。MEMS超声波换能器性能优势也更加明显,处理的频率更高,且易于集成到电子设备中,是3D成像和全身扫描的理想选择。


MEMS超声波换能器或将掀起医学影像市场的变革热潮


两种MEMS超声波换能器:CMUT和PMUT


首款MEMS超声波换能器乏善可陈,成像质量和制造工艺存在挑战


据麦姆斯咨询此前报道,日立(Hitachi)公司曾于2009年推出了首款基于硅芯片的超声波换能器——电容式MEMS超声波换能器(CMUT),这是一款带有矩阵线性换能器的4G CMUT。尽管最初受到了较多关注,但由于成像质量和制造工艺方面的挑战,并未如预期那样迅速扩大生产。在转向硅芯片的过程中,MEMS超声波换能器失去了穿透能力。尽管这款换能器可以扫描全身,但仅限于某一深度的扫描,其性能比不上专用的压电晶体换能器,不足以用于多种医疗领域。此外,该技术当时是一项全新的技术,因此尚未开发出可大批量生产此类换能器的制造工艺。如果这些问题得以解决,则用户最终只需购买一台价格低廉的MEMS超声波换能器,而无需购置多台具有不同扫描频率的换能器。然而,直到最近,随着4G CMUT的艰难推出,超声波技术厂商仍在犹豫是否开发基于MEMS超声波换能器的医疗设备。


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日立(Hitachi)4G CMUT


MEMS超声波换能器将卷土重来,多家初创企业摩拳擦掌


MEMS超声波换能器或将掀起医学影像市场的变革热潮


MEMS超声波换能器(PMUT和CMUT)“起飞”在即


尽管最初的MEMS超声波换能器产品发布带来的兴奋感已过,但随着2018年Butterfly iQ的发布,Butterfly Network可能会让基于MEMS超声波技术开发热潮再度掀起。Butterfly iQ是第一款完整的基于MEMS超声波换能器的系统。这款手机大小的装置可以扫描全身,价格仅1999美元,而全球手持式超声波系统的平均售价为8200美元。尽管一些业内专家认为该产品已经引领了超声波技术新时代的到来,但也有人持不同态度,他们认为,MEMS超声波换能器与优质的压电晶体超声波换能器相比,其成像质量较差,这是该技术不会给超声波市场带来革命性变化的主要原因!孰是孰非,只能交由时间给出答案,但Butterfly iQ无疑为数家超声波技术初创企业推出创新型换能器奠定了市场基础。


MEMS超声波换能器或将掀起医学影像市场的变革热潮


Butterfly iQ及成像效果


2017年底,Kolo Medical推出了基于MEMS技术的SiliconWave换能器。2019年8月,Exo Imaging在筹集了3500万美元后宣布了他们的压电式MEMS超声波换能器(PMUT)计划。


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Kolo Medical基于MEMS技术的SiliconWave换能器晶圆


Exo Imaging致力于将诊断级医疗成像“放入”全球每位护理人员和临床医生的口袋。该公司正在开发一种经济型医疗超声波平台,该平台具有出色的图像保真度、穿透深度和3D成像性能,此外,其尺寸仍仅有手掌大小。


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Exo Imaging超声波平台将纳米材料领域的进步、创新传感器技术、先进的信号处理和人工智能技术,与半导体制造的规模经济相结合,大大降低了成像成本。


医学影像厂商拥抱MEMS超声波换能器系统,加强与半导体厂商合作


事实上,医学影像厂商正在为批量生产MEMS超声波换能器系统而备战。一些大型厂商想通过与半导体厂商建立的合作关系,将这些产品在未来5年内推向市场。而通过此类合作(例如意法半导体(STMicroelectronics)和医疗设备厂商MU的合作),半导体厂商将在这些医疗成像系统的开发中扮演重要的角色!


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MU的US-304便携式超声成像诊断仪采用意法半导体的STHV800 pulser脉冲发生器,大幅提升非洲偏远农村地区的医疗服务品质


MU便携诊断仪的设计目的是支持“急救车(Doctor Car)”流动诊室项目,为非洲偏远农村地区提供医疗服务。在这个项目中,医护工作者通过一辆装备远程医疗系统的特种车,为缺少医疗设施的偏远农村地区的居民提供医疗诊断服务。便携超声诊断仪获取的数据通过移动网络送到大城市的医疗中心,进行详细的医学诊断,辅助医务人员确定合理的治疗方案。MU从2016年开始为急救车和非洲医疗站提供超声成像诊断仪。


MU的US-304是一个凸型超声成像诊断仪(3.5MHz), 能够诊断腹部皮下15cm的部位,可以携带到任何地方,只需一条USB数据线即可连接笔记本或平板电脑。MU超声诊断仪集成意法半导体的高压、高速超声脉冲发生器芯片和一个8通道变送器驱动电路,采用意法半导体独有的200V SOI-BCD半导体制造工艺,这项技术可在单片集成高压CMOS技术、精确的模拟电路和稳健的功率级。


MEMS超声波换能器或将掀起医学影像市场的变革热潮


主要医学影像厂商推出MEMS超声波换能器系统将对医学成像市场产生巨大影响。他们进入医疗保健领域以及大批量生产设备的能力可能会给全球超声波系统市场带来重大变革。从长远来看,成像质量的欠缺将阻碍MEMS超声波换能器系统取代传统压电晶体换能器系统。然而,MEMS超声波换能器系统制造商可能会瞄准“非”常规超声波新市场,比如不需要完美成像质量的初步评估。以往医院和医疗影像诊所是超声波设备的购买主力军,但如果超声波设备价格大幅下降,其可能会在医生办公室、私人诊所和护理机构中普及,并最终演变成大众可以承担的普通消费品。


MEMS超声波换能器具有广阔应用前景,还可用于微创手术刀


MEMS超声波换能器系统除了对压电晶体超声波换能器市场产生影响之外,还可以实现并改善非常规治疗程序。MEMS超声波换能器系统是高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,简称HIFU)——一种“微创手术刀”的强大候选者,HIFU是通过使用超声波破坏病变组织来对抗慢性疾病(如肿瘤)的早期技术。此外,MEMS超声波换能器系统体积非常小巧,更利于放置在导管或集成到可穿戴式贴片中。毋容置疑,MEMS芯片将改变超声波市场的发展前景,真正的挑战是将由谁来引领这场变革。


MEMS超声波换能器或将掀起医学影像市场的变革热潮


HIFU治疗肿瘤的原理是将超声波进行聚焦后,穿透到人体内,通过一系列复合效应来消灭肿瘤组织。就像太阳光可以通过凸透镜聚焦一样,超声波也可以聚焦,而且可以安全地穿透身体,将能量密度较低的超声波汇聚至体内的肿瘤部位,利用焦点处超声波的热效应,在靶区形成60℃以上的高温,导致蛋白质变性及组织细胞凝固性坏死或不可逆的严重损伤,从而达到治疗肿瘤的目的。


关于超声波换能器


超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去,而自身消耗很少的一部分功率。超声波换能器,要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。