综述：可穿戴柔性超声换能器：材料、应用与挑战

《Ultrasonics》：Wearable flexible ultrasonic transducers: materials, applications, and challenges

柔性超声换能器技术综述，探讨其结构原理、材料创新、临床应用及穿戴挑战，为可穿戴超声设备提供系统性研究框架。

　　柔性超声换能器（Flexible Ultrasonic Transducers, FUTs）是可穿戴医疗设备领域的一项快速发展的技术，它能够实现对曲面和动态人体表面的实时、非侵入式和连续的生理信号监测。与传统的刚性超声换能器相比，FUTs通过结合先进的压电材料、可拉伸电极和柔软封装层，有效克服了刚性换能器在顺应性、可穿戴性和避免对成像目标造成压力变形等方面的局限性。这些技术突破使得FUTs在医疗应用中展现出前所未有的潜力，特别是在长期监测和持续健康评估方面。

随着可穿戴设备在医疗领域的不断扩展，其对健康状况的监测能力也得到了显著提升。当前，许多非侵入式可穿戴设备已经能够记录人体的多种物理和化学信号，用于健康评估，如生物电信号和体液成分等。然而，尽管这些信号能够提供一定的生理信息，它们在临床诊断中的可靠性和相关性仍然不足，难以实现精准的健康评估。因此，各种医学成像技术仍然是诊断的首选方法。在这些技术中，超声成像因其强穿透力、高分辨率、多功能性、非侵入性、无辐射和低成本等优势，广泛应用于组织和器官功能的临床评估以及多种疾病的诊断。然而，传统的临床成像设备如X射线成像、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）虽然能够实现高精度的连续成像和监测，但它们通常体积较大，不易移动，且检测效率较低。此外，一些设备还会产生有害的电离辐射，需要严格的使用条件，这使得它们难以被整合到可穿戴医疗设备中。相比之下，超声成像设备具有更高的操作灵活性和更舒适的用户体验。如果能够实现对内部组织和器官的长期连续成像和监测，FUTs将为医生提供更准确的疾病进展评估，并为患者提供更及时的治疗建议。

目前，大多数超声成像系统仍然依赖于手持式刚性换能器，这些设备虽然在短期诊断中表现良好，但在长期监测方面存在明显不足。手持式操作需要专业医生的指导，长时间使用容易导致操作人员疲劳，同时手动操控可能会影响连续成像的稳定性。为了解决这些问题，一些研究提出使用机器人系统或机械固定装置将刚性换能器固定在患者皮肤上，但这些方法限制了患者的活动自由度和舒适度。因此，针对特定应用场景的持续超声监测需求，传统微型化设备和定制化刚性超声换能器也逐渐受到关注并被应用于实际中。近年来，FUTs作为一种有前景的解决方案，开始在可穿戴超声设备领域崭露头角。为了满足可穿戴应用的需求，FUTs被设计为贴片状结构，具有轻量化和超薄的特点。这种结构不仅克服了传统手持式刚性超声换能器的诸多限制，还赋予了FUTs更强的顺应性和更稳定的附着能力，从而提升了用户的可穿戴性和舒适度。FUTs在需要连续监测超声信号和长期成像的场景中，已经展现出显著的优势和应用潜力。

FUTs的设计和优化在很大程度上借鉴了现有的刚性换能器，主要体现在其结构架构和组成部分上。理论上，它们的传感机制与刚性换能器相似，能够复制大多数刚性换能器的功能。然而，FUTs通过材料选择和结构创新，实现了更广泛的适用性。为了实现良好的顺应性和可穿戴性，研究人员对换能器的各个组件进行了针对性的改进，包括柔性基板和电极、高性能压电元件、柔性背衬和匹配层以及电子系统。这些改进使得FUTs能够适应人体的复杂曲面，并在动态环境下保持稳定的工作性能。

在超声诊断和连续监测方面，FUTs的贴片结构为临床应用带来了新的可能性。传统手持式超声换能器虽然可以自由操作，实现对特定组织的短期成像诊断，但由于需要手动操作，它们难以提供持续的长期监测，也无法在诊断过程中维持实时图像的稳定性。相比之下，FUTs的设计更加注重连续和稳定使用，能够长期贴附在人体皮肤上，实现对内部组织的持续监测。这种能力使得FUTs在慢性病管理、术后康复监测和运动健康评估等场景中具有广阔的应用前景。

然而，FUTs在实际应用中仍然面临一些技术挑战。其中，长期可穿戴性能是一个关键问题。为了确保FUTs能够持续贴附在皮肤上并稳定监测信号，需要开发一种安全、舒适且可靠的固定方法。然而，目前常用的基板材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex和聚酰亚胺（PI）通常不具备良好的皮肤附着能力，或者附着性能较低，这限制了其在长期监测中的应用。传统的方法如医用胶带、绑带或将传感器嵌入衣物中，虽然在一定程度上解决了固定问题，但仍然存在诸如皮肤刺激、舒适度下降和附着不稳定性等挑战。因此，研究人员正在探索新型的粘附材料和结构设计，以提高FUTs在长期使用中的稳定性和舒适性。

另一个重要的技术挑战是FUTs的微型化和无线化。随着可穿戴设备向更小、更轻便的方向发展，FUTs也需要在保持性能的同时，实现更小的体积和更轻的重量。此外，无线功能的实现对于提升用户体验和设备的实用性至关重要。无线化不仅可以减少线缆对用户活动的限制，还能够提高数据传输的灵活性和实时性。然而，实现无线化需要解决电源管理、信号传输和数据处理等多方面的问题，这对FUTs的设计和制造提出了更高的要求。

在FUTs的研究中，还有一个关键的未解决问题是阵列元件的定位问题。在传统的超声成像中，阵列元件的精确定位对于获得高质量的图像至关重要。然而，FUTs的柔性结构使得阵列元件的定位变得更加复杂。如何在保持柔性的同时，实现阵列元件的精确排列和定位，是当前研究的一个重点。研究人员正在探索新的定位技术和材料设计，以提高FUTs在复杂曲面和动态环境下的成像质量。

综上所述，FUTs作为可穿戴超声设备的一项关键技术，正在逐步克服传统刚性换能器的局限性，并在多个医疗应用场景中展现出巨大的潜力。尽管在长期可穿戴性能、微型化和无线化以及阵列元件定位等方面仍存在挑战，但随着材料科学、电子工程和生物医学工程的不断发展，这些问题有望得到逐步解决。未来，FUTs有望在医疗领域发挥更大的作用，为患者提供更加便捷、安全和高效的健康监测服务。