中国柔性超声技术方向取得重要进展，清华大学冯雪课题组实现无源柔性超声系统

心血管疾病是全球第一大死因，世界卫生组织预计到 2030 年将约有 2360 万人死于心血管疾病，其中大部分和心脏疾病或中风有关。

对心血管疾病的防治需要综合发展先进的诊断方法和治疗技术，对血流速度参数的监测可以提示许多心血管疾病，如血栓、狭窄、硬化等，在颈动脉内膜剥脱术等手术后长期连续监测血流速度很有意义，可以对剥脱位置处所形成的急性血栓进行监控以避免引起术后脑中风；而针对心律失常等顽固性疾病则需要植入式心脏起搏器等植入式医疗设备，全球已经完成了超过 100 万例的设备植入。

 

然而，当前医疗设备其硬件设备中均存在硬质笨重、固定困难、无法长时间测量、与人体无法相融、易产生生理排斥反应等问题，严重限制了相关临床疾病防治工作的开展，同时也给患者带来了非常糟糕的临床体验。

 

针对上述问题，冯雪课题组结合柔性超声技术和柔性电路技术，发展了一种可用于组织连续成像监测柔性压电换能器阵列，通过采用岛桥结构设计，集成 1-3 型压电复合材料、蛇形导线和低模量弹性硅胶，使得器件具备柔性与可拉伸性，该器件厚度仅 1 mm，重 0.75 g，可共形贴附于皮肤表面，与皮肤声耦合良好，克服了现有超声器件无拉伸性、无法与皮肤贴合、需要耦合剂等问题。

 

多阵元设计有助于尽可能覆盖待检测的血管，确保超声束穿过血流，减少手动操作，自动化寻找位置。超声波发射频率影响探测深度及多普勒散射强度，研究者采用 5MHz 压电换能器，以实现对颈动脉血流具有最佳探测信噪比。该柔性超声器件技术完美的解决了对人体体内血流信号长期监测的难题，并达到和临床大型超声设备相近的测量精度。

用超声系统实现无线能量传输，解决植入器械电池更换难题

植入性医疗器械已成为多类顽固性疾病的重要治疗手段，其总的来说分两类： 一是无源植入器械，包括骨与关节替代物、心血管植入物、人工心脏瓣膜、乳房植入物、眼内晶体植入物、血管支架、人工器官等； 另一类是有源植入器械。 包括植入式心脏起搏器、植入式人工耳蜗、植入式神经刺激器、植入式机电心脏循环系统等。

 

以心脏起搏器为代表的有源植入器械在当前的工艺中存在一些缺陷：1）电池寿命有限。这类有源植入器械需要通过手术更换电池，这将带来二次手术风险；2）生物相容性较差。为了延长使用寿命，传统起搏器往往使用大体积的电池，造成设备体积大，材质硬，植入后会引起患者不适，甚至造成生理排斥反应。据统计，传统起搏器在植入过后，由于起搏器囊袋、导线等导致的相关并发症的发生率高达 10％～20％。

 

针对上述问题，清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组研发了一种新型超薄超柔无源的植入式超声系统，可以基于超声波同步实现无线能量输送以及无线数据传输。通过将超声波的机械能转换为电能，该设备拥有无需更换电池而长久持续工作的能力，解决了现有植入医疗器械在人体内的能源续航及供应问题。

 

该项成果于 9 月 29 日以《柔性可延展的超声能量传输及通讯系统》（A flexible, stretchablesystem for simultaneous acoustic energy transfer and communication）为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。清华大学航院 2020 级博士生金鹏为文章第一作者，浙江清华柔性电子技术研究院副研究员付际对该工作提供了重要的系统框架设计和实验支持，冯雪是论文通讯作者。

 

图 | 柔性可延展的超声能量传输及通讯系统

 

该超声系统内置传感、计算分析等模块，可实时监测体内生理状态信息，并将采集的生理信息通过超声波编码进行无线数据传输，进而实现了无线生理遥测。

 

此外，基于超声波换能器体积小的优势，该设备的体积与与商用心脏起搏器相比，缩小了28倍。

 

传统超声波器件材质为硬性材料，长期致力于将超声柔性化研究的冯雪团队，通过结合柔性可延展的力学设计和轻薄柔软的高生物兼容性封装，提升了植入器件能与人体组织器官的兼容性，使得该器件能在在长期监护过程中给患者带来舒适性，并极大减小了并发症风险。

 

 

研究过程中，课题组开展了在体动物实验，以验证该系统作为植入式心脏起搏器的应用场景。研究人员将该系统植入到小鼠体内，接收到超声波后，系统开始工作。其中，内置的 PVDF 传感器负责采集心脏跳动信息，并根据预编入的程序判断心脏的跳动状态，当设备监测出异常跳动时，能够立即对心脏施加电刺激，实现了监测与治疗同步化的目标。

 

通过建立一套集远程生理监测、体内智能分析、精准治疗于一体的新型综合解决方案，冯雪团队此次的研究为植入式医疗器械的设计提供了一条新途径，在心脏起搏、全植入泵和人工器官等重要临床场景有重大应用潜力。

 

结尾

医疗器械行业属于高技术行业，涉及医药、机械、电子、塑料等多个行业，生产工艺相对复杂，进入门槛较高，是一个国家制造业和高科技尖端水平的标志之一，在我国属于国家重点鼓励发展的产业。 中国在 2011 年成为仅次于美国的世界第二大医疗器械市场。 植入医疗器械属于第三类医疗器械的高端产品，是医疗器械产业中重要的产品门类。

 

随着我国植入医疗器械行业的持续发展，国内植入医疗器械企业已基本上能生产低端和部分中端植入医疗器械，并在生物相容性新材料研究领域取得了一定进展。但产品整体水平较低，同质化现象严重。因此中国植入医疗器械生产亟需技术创新。

 

浙江清华柔性电子技术研究院副研究员付际介绍道，目前基于硅的无机电路具有良好的电性能，但缺点是材料硬，其团队便是致力于将电子技术柔性化。目前，团队围绕超声设备柔性化的研究主要从以下三个方面展开：1）生命体征监测与成像，例如血管狭窄、血流的监测等；2）利用超声能够加热的功能将设备用于治疗以及给药；3）利用超声穿透能力强和波长短等优势进行基础功能性研究，包括能量传输和通信等。团队研发诸多成果可应用于医疗健康、软体机器人、脑机接口、工业物联网等领域。

-End-