Bahnbrechender Ultraschallsensor eröffnet neue Möglichkeiten für tragbare medizinische Geräte

Bahnbrechender Ultraschallsensor eröffnet neue Möglichkeiten für tragbare medizinische Geräte

Herkömmliche tragbare Ultraschallsensoren sind aufgrund ihrer geringen Ausgangsleistung und mangelnden strukturellen Stabilität eingeschränkt, sodass sie für hochauflösende Bildgebung oder therapeutische Anwendungen ungeeignet sind. Ein KAIST-Forschungsteam hat diese Herausforderungen nun gemeistert, indem es einen flexiblen Ultraschallsensor mit statisch einstellbarer Krümmung entwickelt hat. Dieser Durchbruch eröffnet neue Möglichkeiten für tragbare medizinische Geräte, die präzise, ​​körpergerechte Bilder erfassen und nichtinvasive Behandlungen mithilfe von Ultraschallenergie durchführen können.

KAIST (Präsident Kwang Hyung Lee) gab am 12. November bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hyunjoo Jenny Lee von der School of Electrical Engineering einen „Flex-to-Rigid (FTR)“ kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschallwandler (CMUT) entwickelt hat, der mithilfe eines Halbleiterwaferprozesses (MEMS) frei zwischen Flexibilität und Steifigkeit wechseln kann.

Das Team integrierte eine Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt (LMPA) in das Gerät. Wenn elektrischer Strom angelegt wird, schmilzt das Metall und die Struktur kann sich frei verformen; Beim Abkühlen verfestigt es sich wieder und fixiert den Sensor in der gewünschten gebogenen Form.

Herkömmliche CMUTs auf Polymermembranbasis hatten einen niedrigen Elastizitätsmodul, was zu unzureichender akustischer Leistung und unscharfen Brennpunkten während der Vibration führte. Außerdem fehlte ihnen die Krümmungskontrolle, was die präzise Fokussierung auf Zielregionen einschränkte.

Das Team von Professor Lee entwarf eine FTR-Struktur, die ein starres Siliziumsubstrat mit einer flexiblen Elastomerbrücke kombiniert und so sowohl eine hohe Ausgangsleistung als auch mechanische Flexibilität erreicht. Der eingebettete LMPA ermöglicht die dynamische Anpassung und Fixierung der Wandlerform durch Umschalten zwischen festen und flüssigen Zuständen durch elektrische Steuerung.

Dadurch kann der neue Sensor den Ultraschall automatisch auf einen bestimmten Bereich entsprechend seiner Krümmung fokussieren – ohne dass eine separate Strahlformungselektronik erforderlich ist – und behält auch nach wiederholtem Biegen eine stabile elektrische und akustische Leistung bei.

Die akustische Leistung des Geräts erreicht das Niveau von fokussiertem Ultraschall mit geringer Intensität (LIFU), der das Gewebe sanft stimulieren kann, um therapeutische Effekte hervorzurufen, ohne Schäden zu verursachen. Experimente an Tiermodellen zeigten, dass die nichtinvasive Milzstimulation Entzündungen reduzierte und die Beweglichkeit in Arthritismodellen verbesserte.

Zukünftig plant das Team, diese Technologie auf eine zweidimensionale (2D) Array-Struktur zu erweitern, bei der mehrere Sensoren in einem Raster angeordnet werden, um gleichzeitig hochauflösende Ultraschallbildgebung und therapeutische Anwendungen zu ermöglichen und so den Weg für eine neue Generation intelligenter medizinischer Systeme zu ebnen.

Da die Technologie mit Halbleiterfertigungsprozessen kompatibel ist, kann sie in Massenproduktion hergestellt und für tragbare Ultraschallsysteme und für den Heimgebrauch angepasst werden.

Diese Studie wurde von Sang-Mok Lee, Xiaojia Liang (Co-Erstautoren) und ihren Mitarbeitern unter der Aufsicht von Professor Hyunjoo Jenny Lee durchgeführt. Die Ergebnisse wurden am 23. Oktober online veröffentlicht npj Flexible Elektronik (Impact-Faktor: 15,5).

Die Forschung wurde vom Bio & Medical Technology Development Program (Brain Science Convergence Research Program) des Ministeriums für Wissenschaft und IKT (MSIT) und dem Korea Medical Device Development Fund, einer multiministeriellen Forschungs- und Entwicklungsinitiative, unterstützt.

Quellen: