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據麥姆斯咨詢報道，近日，一支由美國哥倫比亞大學（Columbia University）和哥倫比亞大學醫學中心（Columbia University Medical Center）的研究人員組成的團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“Flexible ultrasound transceiver array for non-invasive surf ace-conformable imaging enabled by geometric phase correction”的最新論文，文中提出了一種機械柔性、無源和相控二維超聲收發器陣列——FlexArray，其利用幾何相位校正來補償彎曲物體成像時曲率半徑的變化，可在最小的電氣干擾下進行高對比度成像，本研究成果對可檢測骨骼結構的無創、非電離生物醫學成像設備的開發具有重要意義。

圖1 FlexArray柔性超聲收發器陣列概覽

超聲診斷已成為醫療保健專業人員無創檢查軟組織的一種重要的成像方式，因為它沒有暴露于損傷細胞的電離輻射的相關風險。這種無創成像方法通常通過壓電超聲換能器的線性陣列來實現，它將機械聲能轉換為電信號，反之亦然。大多數商用超聲換能器都安裝在剛性探頭中，并且具有固定接口，無法與人體三維表面貼合。因此，人們制定了許多臨床激勵措施，以開發柔性、人體適形的超聲探頭，其性能與用于生物醫學應用的同時期的剛性接口陣列的頻率和分辨率性能相當。

二維相控陣具有在任意焦距的三維方向上操縱超聲波束的額外優勢，可應用于詳盡的局部成像。在眾多成像應用中，超聲已被證實是一種可行的方式，可幫助診斷骨折并動態指導骨折復位——特別是在資源不足的環境中，作為X射線的替代方案非常有用。在檢查未成年人的骨折時，超聲的非電離特性尤其重要，因為需要避免不必要的X射線照射。在一項對224例兒童疑似骨折的研究中，86.6%的病例通過超聲正確識別。超聲還為識別長骨骨折（特別是肱骨）提供了最高的靈敏度，在233例個體中靈敏度高達98%。據統計，成年肱骨在中軸位置的直徑，男性為17到23mm，女性為14到20mm之間，可通過低于1MHz的超聲頻率輕松分辨。因此，柔性超聲相控陣的開發可為安全、快速、準確地檢測上肢骨折以及其他肌肉骨骼異常提供方便的解決方案；消除對操作員專業知識的依賴。用于這些和其他類似應用的柔性超聲探頭必須在最小程度上彎曲，以貼合曲率半徑為?1.5cm的圓柱體，確保準確的圖像重建。

通常，開發柔性或可拉伸超聲收發器陣列涉及將超聲換能器元件直接集成到柔性互連襯底上。研究人員先前在這一領域所做的工作通常是將鋯鈦酸鉛（PZT-5H）或壓電復合材料的5H相塊體樣品集成到帶有信號和接地電極的聚合物襯底上。該領域的一個顯著進展是引入了一種可拉伸貼片，該貼片包含100個獨立的1-3型壓電復合元件，以二維陣列排列在可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）襯底上。研究人員還演示了一維環繞陣列，但它們通常需要8–128個超聲換能器元件一起工作。為了保持良好的超聲收發器陣列柔性，陣列元件之間的背襯/匹配層和/或縫隙填充材料通常需要被犧牲掉。這導致超聲收發器陣列對超聲波形的控制降低，但在這些新型柔性超聲收發器陣列的文獻中，研究人員還沒有全面定義與通常品質因數相關的權衡。其中許多系統存在技術缺陷，例如元件之間的間距太寬，導致在指定的工作頻率下形成柵瓣，并且沒有考慮陣列曲率及其對相位干擾的影響；由于在最終圖像中引入了誤差和偽影，最終導致成像系統性能的降低。

在本論文中，作者們提出了一種機械柔性、無源和相控二維超聲收發器陣列——FlexArray，包含直接集成到柔性印刷電路板（PCB）上的256個壓電式超聲換能器，它利用幾何相位校正來補償彎曲物體成像時曲率半徑的變化。他們介紹了提出的柔性超聲收發器陣列的制造過程和功能，并討論了用于圖像校正的相位算法。利用COMSOL Multiphysics仿真，他們通過比較不同的縫隙填充材料，解決了實現良好陣列柔性的器件設計考慮因素，以及制造簡易性和/或超聲性能的潛在成本。在有相位校正和沒有相位校正的兩種情況下，他們演示了適形柔性超聲收發器陣列在各種形狀的體模軟物質上的成像性能。在?1.4 MHz的諧振驅動頻率下，FlexArray展示了可控波束轉向功能和在焦點處》?500kPa的聲壓。壓電超聲換能器元件具有很寬的帶寬（41.3%），使其成為連接和詢問生物組織的良好的候選者。相鄰超聲換能器元件之間的串擾適當低（對第一相鄰元件?52dB，對第二相鄰元件??74dB），使其可在最小的電氣干擾下進行高對比度成像。最后，他們使用一個原型器件對人類上臂的橫截面進行成像實驗，展示了這種設計范式在開發可檢測骨骼結構的無創、非電離生物醫學成像設備方面的能力。