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该研究提出一种基于子元件结构的高频超声换能器设计策略，通过有限元分析优化子元件刻蚀参数（刻蚀深度、数量、宽度），有效抑制宽孔径换能器的旁瓣效应并提升声能传输效率。成功研制出20MHz、128元线性阵列换能器，实验显示其-6dB带宽达48%，侧向分辨率优于250μm，轴向分辨率优于100μm，在组织模拟 phantom 中穿透深度超过5cm，并在小型动物活体成像中实时捕捉微小心脏搏动并实现血管高灵敏度多普勒成像，验证了子元件结构在提升高频超声分辨率与穿透深度的可行性。
吕家兵|李张健|韩志雷|邵伟伟|崔瑶瑶
中国科学院苏州生物医学工程与技术研究所，中国苏州215163
摘要
本研究旨在克服高频阵列换能器的局限性，尤其是由于传输能量较弱导致的有限穿透深度问题。为了解决这一问题，我们提出了一种设计策略，通过基于双子元件结构增加元件宽度，有效抑制由过宽孔径引起的旁瓣效应，并确保声能的高效传输。采用有限元建模（FEM）分析了子元件切口对振动模式、电气阻抗和声场分布以及辐射面积的影响，从而优化了结构参数。基于优化后的参数，成功制造了一个20 MHz、包含128个元件的线性阵列换能器。实验结果表明，该换能器实现了48%的–6 dB带宽，横向分辨率优于250 μm，轴向分辨率优于100 μm，成像深度超过5 cm。在小型动物体内的成像实验验证了其实际应用性，能够实时捕捉小型动物心脏的快速跳动，并对血管进行高灵敏度多普勒成像。研究结果表明，所提出的基于子元件的设计策略为提高高频线性阵列的性能提供了可行的途径，为先进的小型动物成像应用带来了广阔前景。
引言
高频超声（≥20 MHz）具有较高的空间分辨率；例如，在20 MHz时轴向分辨率可达到约100 μm，非常适合观察精细的组织微结构和细微病变[1]。然而，这种检测精度的提高通常以降低穿透深度为代价，使得高频超声在小型动物成像[2]、监测小鼠脑膜淋巴系统功能[3]或进行人体表层组织检查[4]时效果较差。这种有限的穿透深度主要是由于软组织中的频率依赖性衰减造成的，其衰减常近似为约0.5 dB·cm?1·MHz?1[5]。在这种假设下，从5 cm深度返回的20 MHz回波在双向传播过程中的损失约为0.5 × 20 × (2 × 5) = 100 dB，这使得高频成像变得非常困难。实际上，15至20 MHz阵列探头的报道穿透深度通常只有几厘米：一个20 MHz、48个元件的相控阵列在肝脏组织中的穿透深度约为10 mm[6]；一个定制的20 MHz高频凸阵在 phantom 中的穿透深度分别为16 mm（传统波束成形）和23 mm（合成孔径虚拟源成像）[7]；一个用于超快成像的15 MHz线性阵列换能器在小型动物研究中的成像深度可达约20 mm[8]。总体而言，要在20 MHz左右实现约50 mm的穿透深度仍然具有挑战性。
为了解决分辨率与穿透深度之间的固有权衡，人们开发了子切割技术。该方法将单个换能器元件分割成多个较小的子元件，从而改变辐射孔径和振动模式，同时提高灵敏度和分辨率[9]。对于高频换能器，增加谐振器面积通常可以增强声辐射；然而，过大的元件宽度会提高宽高比，引起多模振动，并降低机电效率。子切割可以保持较低的宽高比（<0.7），确保元件表面具有均匀的振幅和相位分布，从而优化声传输和灵敏度[10]。此外，将换能器元件分割成多个子元件可以减少有效间距，重新分配声能，并抑制旁瓣[11]。多个子元件的相干辐射能够在旁瓣方向实现相位抵消，结合局部变焦技术，旁瓣水平可以进一步降低[12]。因此，主瓣变得更窄，旁瓣被抑制，带宽和分辨率都得到了提高。在本研究中，高频性能通过脉冲回波中心频率和–6 dB带宽来量化，穿透深度则通过标准组织模拟 phantom 中的最大可检测深度来评估。
最近的研究证实了这些优势。Chan等人使用粘合和切割技术制造了一个8 MHz、128个元件的阵列，实现了83%的–6 dB带宽，尽管只使用了半切割元件[13]。Jovana等人利用PZFlex仿真对15 MHz阵列进行了建模，表明更深的切割可以改善旁瓣抑制、减少振铃时间并提高辐射效率。然而，他们的研究仅限于仿真，且只考虑了两个固定切口的子元件[14]。尽管其他研究表明增加子元件的切割深度可以提高换能器性能[15]，但大多数研究仅限于半切割元件，并且主要针对低频阵列换能器，如5 MHz[16]、7 MHz[17]和7.5 MHz[18]。
实现高于20 MHz的操作频率并在高频阵列换能器中实现完全切割的子元件仍然是重大挑战。这一挑战主要源于两个因素。首先，关于子元件切割参数与高频阵列性能之间关系的系统研究不足，因此缺乏最佳设计的理论指导[19]。其次，在高频阵列中制造完全切割的子元件存在制造难度。在传统的切割和填充过程中，阵列换能器中的PZT层与柔性电路板上的刚性电极层紧密粘合，切割时切口必须穿透这一电极层。由于高频换能器中的PZT层非常薄，切割过程中产生的机械振动很容易损坏压电结构，导致裂纹并降低制造良率。
在本研究中，通过有限元仿真系统地研究了子元件切口参数（包括切口深度、数量和宽度）对高频阵列换能器性能的影响，为基于子元件的高频阵列设计提供了理论指导。此外，提出了一种新的切割策略，通过将薄PZT元件与柔性印刷电路板（FPC）上的刚性电极层分离，实现了完全切割的子元件。基于这些结果，制造了一个约20 MHz、128个元件的线性阵列，在组织模拟 phantom 中实现了最大5 cm的成像深度，同时保持了高分辨率成像。换能器的性能通过脉冲回波测量、分辨率测试、phantom成像和小型动物成像进行了表征。
部分内容摘录
阵列换能器设计
图1展示了所提出的20 MHz高频线性阵列换能器的示意图，该阵列包含128个元件，每个元件被进一步分割成两个子元件，每个元件的高度为1.5 mm[20]；根据参考文献[21]、[22]、[23]，采用了2λ（150 μm）的横向间距。这种间距不仅有效抑制了元件间的串扰[24]，还为每个由两个常规元件组成的子元件结构提供了额外的横向空间。
仿真结果
图6(a)显示了五种仅使用PZT元件的配置的模拟电气导纳谱，图6(b)显示了它们在主共振频率下的相应位移场。对于未切割的元件（单一配置），在约13 MHz处观察到一个主导共振。图6(b-Ⅰ)中的位移场清楚地显示出沿长条的非均匀变形，表明响应不受简单的厚度主导行为控制
结论
本研究提出了一种20 MHz、128个元件的线性阵列换能器，采用子元件策略解决了高频超声成像中分辨率与穿透深度之间的固有权衡。系统地研究了子元件参数（包括切口宽度、深度和数量）对换能器声学性能的影响。实施了一种新的制造方法，实现了完全切割的子元件，确保了精确的控制
作者贡献声明
吕家兵：撰写——原始草稿，正式分析，数据整理，概念构思。李张健：撰写——审阅与编辑，项目管理。韩志雷：监督，资源提供。邵伟伟：可视化，验证。崔瑶瑶：资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFF0706500）、国家自然科学基金（项目编号：12274434）、国家重点研发计划（项目编号：2025YFC2426100）以及苏州市科技计划项目（项目编号：SYG2025123）的支持。
