基于PMN-PT的柔性超声换能器阵列，用于无袖带血压监测

为了解决传统袖带式血压监测方案的局限性，研究人员已开发出多种可穿戴式无袖带血压监测方案，包括光电容积描记法（PPG）、动脉压测量（Tonometry）以及基于脉搏传导时间（PTT）的监测系统。尽管这些方案具有无创、便携等优点，但它们的信号极易受到肤色、运动伪影、环境光照以及浅层血管差异等因素的干扰。

此外，在监测更深层血管时，它们的性能通常显著下降，从而限制了临床可靠性与测量精度。相比之下，可穿戴超声系统正成为无创心血管监测的一种有前景的技术路线，其能够在无需袖带的情况下实时评估血管动力学状态。然而，将高性能压电材料集成至柔性、皮肤贴合的器件中，仍需攻克机械拉伸性、声学保真度及可扩展性等多方面挑战。

据麦姆斯咨询报道，针对上述挑战，韩国机械与材料研究院（Korea Institute of Machinery and Materials）和韩国科学技术联合大学（University of Science and Technology）等机构的研究团队联合开发出一种基于1-3结构铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）复合压电材料的柔性超声换能器阵列（UTA），专门用于连续血压监测。通过飞行时间（ToF）模拟仿真和血管仿生模型实验验证，该系统能够准确追踪血管直径变化，并估算实时血压。这些成果证明了柔性、可扩展超声系统用于可穿戴血流动力监测的可行性，并表明其有望应用于下一代即时检测（POCT）设备。相关研究成果以“Skin-conformal PMN-PT ultrasonic sensor for cuffless blood pressure sensing via eutectic solder integration”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

图1 本研究的图文摘要

在柔性超声换能器阵列的开发过程中，实现压电单元与柔性电极之间可靠、低电阻的电连接是一项关键挑战。为克服这些问题，必须开发低温集成方法，在保持压电元件功能完整性的同时，确保其在柔性基底上的机械与电连接稳定。在这项工作中，研究人员设计、制备并验证了一种基于柔性PMN-PT 1-3复合材料的5 × 4超声换能器阵列，专门用于连续无创血压监测。该阵列的一项关键创新点在于采用了Sn-Bi共晶焊料的双面键合工艺，将键合温度控制在150°C以下，从而避免了PMN-PT出现退极化，同时实现了可承受弯折与皮肤贴合变形的稳定机械-电连接。

图2 柔性超声换能器阵列的概念及功能图示

图3 柔性超声换能器阵列的结构设计

图4 柔性超声换能器阵列的制备与键合工艺

为评估该柔性超声换能器阵列的性能，研究人员开展了全面测试，包括电阻抗测量、发射指向性、接收角度以及声回波测试等。电-声性能测试结果表明，该阵列的共振频率约为6.0 MHz，-3 dB带宽达38%，接收角可达45°（可在不同角度条件下采集声学信号）；并且无需额外设置声学匹配层或背衬层，在简化制备工艺的同时，同步保持了优异的信号保真度。

图5 机械应变下的阻抗表征结果

图6 声压测量实验

为了验证临床可行性，研究人员构建了复杂的血管仿生模型，模拟人体血流的脉动压力。通过飞行时间（ToF）模拟仿真估算了血管壁位移及压力变化，随后结合血管仿生模型开展体外实验，验证了该阵列对血管直径变化的检测能力，以及其连续估算收缩压和舒张压的高精度表现。测试结果显示，该阵列测得的收缩压与舒张压，与商用参考传感器测量值相比，误差均控制在4 mmHg以内。除了可直接应用于可穿戴心血管诊断外，研究人员还展示了将高性能压电材料集成至柔性平台的可扩展路径，为下一代可穿戴超声系统奠定了基础。

图7 血压监测实验

图8 血管动脉直径测量实验

综上所述，这项研究提出一种基于PMN-PT复合材料的柔性超声换能阵列，通过双面共晶键合工艺实现了低温集成，既保留了PMN-PT的压电与机电性能，又确保了器件具备配皮肤贴附需求的机械柔性与电连接稳定性，可有效用于连续无创血压监测。研究人员指出，未来将聚焦波束形成优化、先进声耦合层开发及体内验证研究，以推动连续血流动力学监测在临床与家庭场景中的实际落地。