超聲波技術的應用
超聲波技術廠商尋求壓電晶體換能器的替代品，MEMS技術迎來機遇
據麥姆斯諮詢介紹，傳統超聲波換能器是利用塊體型壓電晶體產生超聲波，儘管壓電效應已被證實對傳輸超聲波有效，但受生產成本和尺寸的限制，壓電晶體技術存在侷限性。基於硅芯片的換能器，或稱為MEMS超聲波換能器（MUT），主要有兩種類型：電容式MEMS超聲波換能器（CMUT）和壓電式MEMS超聲波換能器（PMUT），例如CMUT使用硅芯片將電壓轉換成機械振動。這種換能器極具替代傳統超聲波換能器的潛力，原因之一是硅片的價格比壓電晶體便宜，因此基於硅芯片的換能器比壓電晶體換能器更具價格優勢；第二是因為壓電晶體換能器對製造工藝的要求更高，批量生產的難度更高。MEMS超聲波換能器性能優勢也更加明顯，處理的頻率更高，且易於集成到電子設備中，是3D成像和全身掃描的理想選擇。
兩種MEMS超聲波換能器：CMUT和PMUT
首款MEMS超聲波換能器乏善可陳，成像質量和製造工藝存在挑戰
據麥姆斯諮詢此前報道，日立（Hitachi）公司曾於2009年推出了首款基於硅芯片的超聲波換能器——電容式MEMS超聲波換能器（CMUT），這是一款帶有矩陣線性換能器的4G CMUT。儘管最初受到了較多關注，但由於成像質量和製造工藝方面的挑戰，並未如預期那樣迅速擴大生產。在轉向硅芯片的過程中，MEMS超聲波換能器失去了穿透能力。儘管這款換能器可以掃描全身，但僅限於某一深度的掃描，其性能比不上專用的壓電晶體換能器，不足以用於多種醫療領域。此外，該技術當時是一項全新的技術，因此尚未開發出可大批量生產此類換能器的製造工藝。如果這些問題得以解決，則用戶最終只需購買一臺價格低廉的MEMS超聲波換能器，而無需購置多臺具有不同掃描頻率的換能器。然而，直到最近，隨著4G CMUT的艱難推出，超聲波技術廠商仍在猶豫是否開發基於MEMS超聲波換能器的醫療設備。
日立（Hitachi）4G CMUT
MEMS超聲波換能器將捲土重來，多家初創企業摩拳擦掌
MEMS超聲波換能器（PMUT和CMUT）“起飛”在即
儘管最初的MEMS超聲波換能器產品發佈帶來的興奮感已過，但隨著2018年Butterfly iQ的發佈，Butterfly Network可能會讓基於MEMS超聲波技術開發熱潮再度掀起。Butterfly iQ是第一款完整的基於MEMS超聲波換能器的系統。這款手機大小的裝置可以掃描全身，價格僅1999美元，而全球手持式超聲波系統的平均售價為8200美元。儘管一些業內專家認為該產品已經引領了超聲波技術新時代的到來，但也有人持不同態度，他們認為，MEMS超聲波換能器與優質的壓電晶體超聲波換能器相比，其成像質量較差，這是該技術不會給超聲波市場帶來革命性變化的主要原因！孰是孰非，只能交由時間給出答案，但Butterfly iQ無疑為數家超聲波技術初創企業推出創新型換能器奠定了市場基礎。
Butterfly iQ及成像效果
2017年底，Kolo Medical推出了基於MEMS技術的SiliconWave換能器。2019年8月，Exo Imaging在籌集了3500萬美元后宣佈了他們的壓電式MEMS超聲波換能器（PMUT）計劃。
Kolo Medical基於MEMS技術的SiliconWave換能器晶圓
Exo Imaging致力於將診斷級醫療成像“放入”全球每位護理人員和臨床醫生的口袋。該公司正在開發一種經濟型醫療超聲波平臺，該平臺具有出色的圖像保真度、穿透深度和3D成像性能，此外，其尺寸仍僅有手掌大小。
Exo Imaging超聲波平臺將納米材料領域的進步、創新傳感器技術、先進的信號處理和人工智能技術，與半導體制造的規模經濟相結合，大大降低了成像成本。
醫學影像廠商擁抱MEMS超聲波換能器系統，加強與半導體廠商合作
事實上，醫學影像廠商正在為批量生產MEMS超聲波換能器系統而備戰。一些大型廠商想通過與半導體廠商建立的合作關係，將這些產品在未來5年內推向市場。而通過此類合作（例如意法半導體（STMicroelectronics）和醫療設備廠商MU的合作），半導體廠商將在這些醫療成像系統的開發中扮演重要的角色！
MU的US-304便攜式超聲成像診斷儀採用意法半導體的STHV800 pulser脈衝發生器，大幅提升非洲偏遠農村地區的醫療服務品質
MU便攜診斷儀的設計目的是支持“急救車（Doctor Car）”流動診室項目，為非洲偏遠農村地區提供醫療服務。在這個項目中，醫護工作者通過一輛裝備遠程醫療系統的特種車，為缺少醫療設施的偏遠農村地區的居民提供醫療診斷服務。便攜超聲診斷儀獲取的數據通過移動網絡送到大城市的醫療中心，進行詳細的醫學診斷，輔助醫務人員確定合理的治療方案。MU從2016年開始為急救車和非洲醫療站提供超聲成像診斷儀。
MU的US-304是一個凸型超聲成像診斷儀（3.5MHz）， 能夠診斷腹部皮下15cm的部位，可以攜帶到任何地方，只需一條USB數據線即可連接筆記本或平板電腦。MU超聲診斷儀集成意法半導體的高壓、高速超聲脈衝發生器芯片和一個8通道變送器驅動電路，採用意法半導體獨有的200V SOI-BCD半導體制造工藝，這項技術可在單片集成高壓CMOS技術、精確的模擬電路和穩健的功率級。
MEMS超聲波換能器將迅速探索市場，掀起市場變革浪潮
主要醫學影像廠商推出MEMS超聲波換能器系統將對醫學成像市場產生巨大影響。他們進入醫療保健領域以及大批量生產設備的能力可能會給全球超聲波系統市場帶來重大變革。從長遠來看，成像質量的欠缺將阻礙MEMS超聲波換能器系統取代傳統壓電晶體換能器系統。然而，MEMS超聲波換能器系統製造商可能會瞄準“非”常規超聲波新市場，比如不需要完美成像質量的初步評估。以往醫院和醫療影像診所是超聲波設備的購買主力軍，但如果超聲波設備價格大幅下降，其可能會在醫生辦公室、私人診所和護理機構中普及，並最終演變成大眾可以承擔的普通消費品。
MEMS超聲波換能器系統市場普及情況分析
MEMS超聲波換能器具有廣闊應用前景，還可用於微創手術刀
MEMS超聲波換能器系統除了對壓電晶體超聲波換能器市場產生影響之外，還可以實現並改善非常規治療程序。MEMS超聲波換能器系統是高強度聚焦超聲（High-Intensity Focused Ultrasound，簡稱HIFU）——一種“微創手術刀”的強大候選者，HIFU是通過使用超聲波破壞病變組織來對抗慢性疾病（如腫瘤）的早期技術。此外，MEMS超聲波換能器系統體積非常小巧，更利於放置在導管或集成到可穿戴式貼片中。毋容置疑，MEMS芯片將改變超聲波市場的發展前景，真正的挑戰是將由誰來引領這場變革。
HIFU治療腫瘤的原理是將超聲波進行聚焦後，穿透到人體內，通過一系列複合效應來消滅腫瘤組織。就像太陽光可以通過凸透鏡聚焦一樣，超聲波也可以聚焦，而且可以安全地穿透身體，將能量密度較低的超聲波匯聚至體內的腫瘤部位，利用焦點處超聲波的熱效應，在靶區形成60℃以上的高溫，導致蛋白質變性及組織細胞凝固性壞死或不可逆的嚴重損傷，從而達到治療腫瘤的目的。
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