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本文介绍了一种基于频率的被动、无电子元件的超声通信方法（PUC），用于深部组织传感器植入。该方法通过超声天线共振特性变化实现数据传输，简化了植入物设计。在 5cm 深度进行实时压力监测实验，展现了其在医疗领域的应用潜力，值得关注。
### 研究背景
许多医疗状况发生在组织深处，传统外部测量难以监测和诊断。医学成像技术如超声检查和磁共振成像虽能无创获取深部组织信息，但不适合持续原位监测。侵入性仪器如导管可用于监测，但存在诸多限制，如限于临床环境、需专业人员操作、成本高，且有引发不适、出血、疤痕和感染等风险。
医疗植入物可皮下感知信号，近年来无线电力和数据传输技术被应用于植入式设备，如感应耦合、磁共振耦合、近场通信和蓝牙等。然而，电磁波在组织中的高衰减和低穿透深度限制了这些设备的植入深度，或需在深部植入传感器和皮下植入天线间进行有线连接，带来与有线连接相关的风险。
通过超声（US）传输电力和数据在深部组织植入式设备中受到关注。超声在诊断频率范围内具有毫米（低于 1.5MHz）和亚毫米（高于 1.5MHz）波长，与电磁波（2GHz 时波长 25mm）相比，能更好地与小型化植入物耦合。此外，超声在软组织中的衰减较低（2MHz 时约 1.5dBcm?1，而 2GHz 电磁波约 10dBcm?1），穿透深度更高，组织加热更少。不过，大多数基于超声数据链路的设备依赖电子元件进行能量收集和主动数字通信，导致植入电子设计和制造复杂。也有研究利用植入超材料实现无电子元件的超声通信，但这些设备依赖超材料特定变形或特性变化，不能用于通用通信方法。基于幅度的方法易受声耦合干扰，适用性有限，因此基于频率的方法对可靠的被动超声通信（PUC）至关重要。
研究内容
- 设备设计与工作原理：该无线和 PUC 方法的工作原理是，外部询问换能器与连接到电容式传感器的压电陶瓷超声天线之间建立被动链路。询问换能器发射超声，经软组织传播后被植入式超声天线及周围软组织边界反射，反射回波被询问换能器捕获并转换为电信号，以无线方式提取传感器读数。
可以为超声天线和电容式传感器构建等效电路，分别由 Butterworth - van Dyke PZT 模型和单个电容器组成。监测信号会导致植入式传感器电容变化（CL），这直接影响整个设备的共振特性，特别是系统的反共振频率会随连接到超声天线的电容负载变化而移动。在反共振频率处，入射波反向散射较少，询问换能器捕获的信号幅度降低。通过在预期反共振频率附近激发超声天线并记录反向散射超声，可得到频谱，其中的最小点即植入系统的反共振频率，由此可确定电容负载，进而得到植入式电容传感器的深部组织测量值。
制造的超声天线由毫米级压电陶瓷、200μm 厚的柔性电子板基板和生物相容性聚合物涂层组成。采用空气背衬设计，在 PZT 晶体背面创建空气腔以减少机械阻尼，有助于 PZT 晶体更自由地振动。考虑到与毫米级超声天线有效耦合的波长和超声在软组织中的频率相关衰减，确定了 PZT 晶体的尺寸，使其厚度模式操作的共振和反共振频率约为 2MHz。
2. 设备的电气和机械特性表征：采用 Leach 电声等效电路模型（ECM）对超声天线进行建模，该模型与 SPICE 兼容。通过测量设备的电阻抗并与 Leach 模型仿真结果对比，发现测量的反共振频率为 2.3MHz，虽仿真结果在反共振频率处与测量匹配，但由于使用非传统 PZT 尺寸，共振曲线不匹配。不过，利用反共振频率偏移精确检测电容负载的微小变化才是关键，模型与测量的不匹配并不重要。
测量和仿真了电容负载对阻抗谱的影响，发现随着连接到超声天线的负载电容增加，厚度模式反共振频率降低。对超声天线进行声频扫描测试，结果显示在 2.02MHz 处有最大声压，表明 2MHz 附近的共振是天线的厚度振动模式。测量超声天线的声压场，得到?3dB 直径为 9.4mm。
3. 通信链路表征：通信硬件系统使用双工器将询问换能器连接到锁定放大器（LIA）的输入和输出通道，实现脉冲回波测量。LIA 的内部振荡器确定激发信号频率，经射频（RF）放大器放大。LIA 将回波信号与同频率正弦波形混合，经低通滤波器处理得到未处理时域信号的包络。重复脉冲回波测量，扫频得到频率相关幅度谱，其中的最小点即超声天线的反共振频率。
通过对比有、无超声天线时的扫描操作，验证了超声天线的作用。分析激发信号持续时间和幅度的影响，发现信号持续时间增加，扫描曲线的谷值更明显，而激发信号幅度对性能无明显影响。研究不同询问器 - 天线距离对 PUC 方法的影响，发现距离对结果影响较小且可通过脉冲回波测量的飞行时间信息补偿。分析电阻负载对通信扫描结果的影响，表明电容负载主要负责频率偏移，电阻效应协同作用。
测试不同电容负载下的 PUC 扫描结果，随着负载电容从 0 增加到 120pF，反向散射超声频谱的谷值总偏移量为 18.56kHz，测量的平均标准偏差为 1.71kHz。系统的最大操作深度至少为 15cm，但天线与询问器换能器之间的不对准会影响扫描曲线和检测到的反共振频率。
4. PUC 系统的体外演示：为展示 PUC 系统的适用性，将商业传感器与超声天线集成并置于定制压力罐中。通过控制压力罐的空气进出口实现所需气压，用参考气压传感器监测罐内气压，罐内部分填充蒸馏水以促进超声传播。
测量集成商业传感器在不同压力下的电容，在压力低于 20kPa 时，灵敏度约为 5.83pF/kPa。使用集成系统监测压力罐内气压，结果与参考压力传感器读数吻合良好。通过改变压力进行循环实验，展示了 PUC 方法的瞬态性能。利用 LTspice 软件模拟不同声学介质（包括水、乳腺、脂肪和肾脏组织）对信号的影响，发现软组织中接收信号幅度因声衰减增加而降低，但反共振频率偏移无明显变化。
研究结论与展望
本文提出了一种简单、无线、被动的基于频率的超声通信方法，用于深部组织传感器植入。该方法利用超声和植入式超声天线共振特性变化，实现了在更大植入深度的通信。通过在 5cm 深度集成商业电容式压力传感器进行体外实验，表明设备可在医学相关压力范围内工作。
与现有超声无线通信技术相比，PUC 方法具有优势。其仅需单个压电陶瓷元件作为超声天线，焊接在柔性导电基板上，制造更简单；无需定制 IC 和其他能量收集电子元件，简化了植入设计；可与任何具有电容传感行为的传感器集成，应用更广泛。
然而，该研究也存在一些问题。天线与询问器换能器之间的不对准会影响扫描结果，可通过开发伪智能算法和通用校准方法解决。超声天线使用含铅的 PZT 材料，未来可使用无铅替代品如 KNN 制造。天线可通过微加工工艺小型化，传感器和天线可在同一基板上制造以实现单片植入式设备。在数据处理方面，激励与回波之间的延迟短，限制了激励持续时间，需要更快的数据转换、解调、传输和频率确定。采用替代频率传感方法如啁啾激励等，可提高频率扫描速率，有望提升信号质量、传感精度和测量速度。
