用于医学成像的高频梯度1-3型压电复合材料及超声换能器

《Journal of Materiomics》：High-frequency gradient 1-3 piezoelectric composites and ultrasonic transducer for medical imaging

　　

高频超声换能器是实现高分辨率临床诊断与工业无损检测的核心器件。与传统块体压电陶瓷相比，1-3型压电复合材料（1-3 piezoelectric composites）在声阻抗匹配与机电耦合效率方面具有显著优势，但其高频性能常受周期性横向振动模式的限制。此类寄生共振会严重降低灵敏度、带宽及成像质量。为解决该瓶颈且不增加制备复杂度，研究人员提出了一种梯度结构压电复合材料，利用压电柱的非周期分布从物理层面破坏横向驻波的相位相干性。研究人员通过理论推导与有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）对复合材料的结构参数进行了优化与验证。与常规设计相比，所制备的高频梯度复合材料换能器表现出显著提升的–6 dB带宽（73%）、机电耦合系数（electromechanical coupling coefficient, keff= 0.74）以及脉冲回波灵敏度。此外，在仿体、钨丝及离体组织上的成像实验表明，该梯度换能器实现了优异的分辨率与对比度噪声比（Contrast-to-Noise Ratio, CNR）。研究结果表明，梯度结构设计为当前高频换能器的性能瓶颈提供了实用解决方案，在精密医学超声成像领域具有重要的理论意义与广阔的应用前景。

研究背景与意义

随着精准医疗的发展，血管内超声（Intravascular Ultrasound, IVUS）、眼科及皮肤科等领域对超声成像的空间分辨率提出了更高要求。作为成像系统的核心部件，超声换能器的性能直接决定了图像质量。传统块体压电陶瓷如锆钛酸铅（Lead Zirconate Titananate, PZT）虽然应用广泛，但其声阻抗较高，与生物组织存在严重失配，且厚度方向的机电耦合效率欠佳；在高频率下，块体材料极薄，加工难度大且易碎。1-3型压电复合材料通过将压电柱嵌入聚合物基体，有效降低了声阻抗并提升了纵向机电耦合系数（k₃₃），但该结构中压电柱的周期性排列会引发横向振动模式。这种由布拉格散射引起的寄生共振会在阻抗谱中引入杂散峰，导致能量耗散、带宽降低及振铃效应，进而损害轴向分辨率和成像对比度。现有抑制横向振动的方法多针对低频应用，对于20 MHz以上的高频场景，传统的“切割-填充”（dice-and-fill）工艺受限于金刚石刀片的物理极限，难以通过进一步减小切缝宽度将寄生模态推离工作频带；而激光烧蚀或深反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching, DRIE）等微纳加工技术虽能制备精细结构，但面临侧壁不垂直或工艺成本过高的问题。针对上述挑战，该研究发表于《Journal of Materiomics》，提出了一种面向高频应用的梯度结构1-3压电复合材料，旨在通过打破结构周期性从物理机制上抑制横向振动，从而在不增加制造复杂度的情况下突破高频换能器的性能瓶颈。

主要关键技术方法

研究人员采用理论推导与有限元分析（FEA）相结合的方法，利用COMSOL Multiphysics软件建立了三维模型，对压电柱的横向尺寸变化进行参数优化。在制备工艺上，采用标准“切割-填充”法，通过精密编程控制划片机的步进，实现了压电柱尺寸从中心向外递增的梯度结构，无需引入复杂的微纳加工设备。为了验证器件性能，研究人员构建了脉冲回波测试系统与三维声场扫描平台，并在仿体、钨丝靶及离体猪肺组织上进行了成像实验，通过对比传统周期性结构换能器，量化评估了梯度设计在分辨率与对比度噪声比（CNR）方面的提升。

研究结果

3.1 复合材料的设计、制备与表征

研究人员设计了中心对称的梯度结构，压电柱的长（l）和宽（w）从中心开始以固定步长递增。仿真结果显示，该结构显著削弱了第一阶横向振动模式，相位曲线平滑，寄生峰几乎消失。物理机制在于尺寸梯度的引入使得相邻压电柱的本征横向振动频率产生差异，破坏了布拉格散射条件，将原本集中在单一频点的横向共振能量“弥散”至不同频段。制备出的样品微观结构清晰，实测有效机电耦合系数（k_eff）达到0.74，相较于传统结构的0.67有显著提升，证明了梯度设计能有效减少非主模的能量耗散。

3.2 高频复合材料的换能器性能与成像结果

基于梯度复合材料制备的换能器在脉冲回波测试中表现优异，中心频率为21.32 MHz，-6 dB带宽高达73%，远高于传统结构的51%。峰值电压（V_PP）提升至0.64 V，插入损耗（Insertion Loss, IL）改善至-19.56 dB。声场扫描结果表明，梯度结构换能器的峰值声压更高，振铃效应得到明显抑制。在成像实验中，梯度换能器能够清晰分辨仿体中相邻方形结构的边界，穿透深度更深；在钨丝靶实验中，轴向和横向分辨率分别达到88 μm和771 μm，较传统结构提升了约30%和16%；在离体猪气管成像中，梯度换能器能够清晰分辨黏膜层、黏膜下层及外膜层，其各深度的对比度噪声比（CNR）均显著优于对照组，展示了卓越的临床诊断潜力。

总结与讨论

研究人员在结论中指出，梯度结构设计成功解决了高频超声换能器中横向振动抑制与制造复杂度之间的长期权衡问题。通过打破结构周期性，从物理层面破坏了横向驻波的相位匹配，从而显著提升了k_eff和带宽。该设计利用标准的“切割-填充”技术即可制备≥20 MHz的高性能换能器，具有极高的成本效益。此外，梯度换能器在轴向/横向空间分辨率及不同深度的CNR上均表现出显著优势，为高精度医学超声诊断提供了强有力的技术支持。研究人员也指出，受限于传统机械切割技术的物理极限，该方法在超高频区域（>50 MHz）可能不再适用，未来的工作将结合激光切割等先进微纳加工技术以及高性能压电单晶材料，探索该方法在更高频领域的应用潜力。