从压电陶瓷到硅基集成：医疗超声芯片如何重塑医学影像
医学影像领域正在经历一场静默的芯片革命。过去二十年间，超声设备从控制台式主机逐步演变为掌上终端，而驱动这场变革的底层力量，正是医疗超声芯片技术的持续突破。从信号收发、波束形成到图像重建，一颗颗专用芯片的性能直接决定着超声图像的分辨率、设备的体积以及临床诊断的可靠性。
本文将拆解医疗超声芯片的技术架构、核心器件演进与前沿应用方向，帮助读者建立对这一领域系统性的认知。
一、超声芯片的信号链架构
一套完整的医疗超声系统，其信号处理链路可以分为发射端和接收端两大部分。在发射端，高压脉冲电路驱动换能器阵列向人体发射超声波；在接收端，反射回波经过一系列芯片模块处理后，最终被重建为可视化的超声图像。
接收通道是芯片技术最密集的环节，典型的模拟前端（AFE）包含以下核心模块：
- 低噪声放大器（LNA）：对从人体反射回来的微弱回波信号进行首级放大。接收信号的幅度范围极大——从10μVpp到1Vpp不等，因此LNA的输入参考噪声是决定系统灵敏度的关键参数，业界主流水准在0.7~1.5 nV/√Hz。
- 时间增益控制放大器（TGC）和可变增益放大器（VGA）：超声波在人体组织中传播时，深度越深衰减越大（衰减系数约0.7 dB/cm·MHz）。TGC/VGA根据不同深度的衰减动态调整增益，确保图像在不同深度上的亮度均匀性。
- 抗混叠滤波器（AAF）与模数转换器（ADC）：经过放大和滤波的模拟信号被ADC转换为数字数据。现代超声系统普遍采用12位或14位ADC，采样率通常在10~125 MSPS范围。
一个实用的设计参考公式是：系统动态范围 = ADC信噪比 + VGA增益控制范围。例如，12位ADC提供约70 dB SNR，配合40 dB增益控制范围，可实现110 dB的动态范围——足以应对多数临床需求。
二、换能器芯片：从块体压电到MEMS微机械
如果说AFE是超声系统的"耳朵"，那么换能器就是"声带与耳膜"的结合体——既要发射超声波，又要接收回波。传统超声探头采用块体型压电陶瓷（PZT）作为换能材料，虽然技术成熟，但存在体积大、频率受限、难以集成等问题。
微机电系统（MEMS）技术的引入，彻底改变了换能器的设计范式。目前最受关注的两类MEMS超声换能器分别是压电式（PMUT）和电容式（CMUT）。
| 特性 | PMUT（压电式） | CMUT（电容式） |
|---|---|---|
| 换能原理 | 压电效应（d₃₁模式），压电薄膜在电场下产生弯曲变形 | 静电驱动，振膜在偏置电压下受静电力牵引 |
| 常用材料 | PZT薄膜、AlN（无铅替代方案） | 硅基振膜 + 真空/空气腔 |
| 偏置电压 | 无需高偏置电压 | 通常需要数十伏偏置电压 |
| 带宽与分辨率 | 随制造工艺持续提升中 | 天然具备更宽带宽和更高分辨率 |
| 集成优势 | 对寄生效应不敏感，适合低功耗场景 | 更容易与ASIC实现单片集成 |
| 典型应用方向 | 便携/可穿戴设备、低频成像 | 高分辨率成像、血管内超声（IVUS） |
需要指出的是，CMUT和PMUT并非互相替代的关系，而是面向不同应用场景的互补方案。CMUT在高频和高分辨率场景中表现突出，而PMUT凭借零偏压和低功耗特性，更适用于便携式和可穿戴医疗超声芯片的设计。
三、波束形成与数字信号处理：芯片的"大脑"
现代超声探头通常包含8~512个微型换能器阵元。每个阵元独立发射和接收超声波，但原始信号如果不经过"编排"，就无法形成清晰的图像。这个编排过程就是波束形成。
数字波束形成（DBF）是目前的主流方案：通过对每个阵元接收到的信号施加精确的时间延迟，再求和合成，实现超声波束在空间中的聚焦和偏转。DBF越靠近换能器阵元进行采样，图像质量就越高，但这也意味着芯片需要处理的数据量和通道数急剧增长。
更前沿的方向是超构换能器（Meta-transducers）。意大利博洛尼亚大学的研究团队在2024年发表的综述中指出，通过在换能器结构中引入声子晶体和声学超构材料，可以在物理层面直接完成聚焦、波束形成甚至模式滤波——这些原本需要大量数字电路才能实现的功能。其核心理念是"用结构替代算力"，有望大幅降低超声系统的硬件复杂性和功耗。
另一个值得关注的趋势是子波束形成器的探头集成。将部分波束形成运算下沉到探头端，可以减少探头与主机之间的数据传输量，使无线超声和超便携设备成为可能。
四、柔性超声阵列：当芯片变得像创可贴
2024年，荷兰TNO研究所的科学家在《Nature Communications》上发表了一项突破性成果：基于热压印工艺和无铅压电聚合物P(VDF-TrFE)，制造出总厚度仅约100微米的柔性超声传感器阵列。
研究团队制造了一个128元件线性阵列用于颈动脉成像。测试数据显示，该柔性阵列在8.2 MHz工作频率下，-6 dB带宽达78%，最大发射效率为1.3 kPa/V，接收灵敏度达150 μV/Pa——这些指标与传统的刚性探头不相上下，却具备后者无法实现的曲面贴合能力。
这项技术的意义不仅在于性能相当。柔性超声芯片让长时间连续监测成为可能：患者可以像贴创可贴一样佩戴超声传感器，实时监控心血管状态、器官运动等生理参数，而不需要反复前往医院。对于慢病管理和术后康复监测而言，这是一个从"间断检查"到"持续感知"的质变。
五、国产医疗超声芯片正在加速追赶
在全球医疗超声芯片市场中，ADI、TI、ST等国际厂商长期占据着模拟前端和ADC芯片的主导地位。但近年来，国产力量的崛起不容忽视。
2024年7月，赛禾医疗自主研发的心腔内超声成像系统（ICE系统）获批上市，成为国内首个整套国产ICE系统。该系统通过导管头端的微型相控阵探头进行实时心脏内成像，用于指导心律失常消融和结构性心脏病介入治疗——而ICE系统的核心，正是一枚自主研发的超声专用芯片。
同期，霆升科技也完成了实时三维心腔内超声导管（4D ICE）的研发，并成功流片国内唯一一款拥有自主知识产权的心腔内超声专用ASIC芯片。在更广泛的影像设备层面，迈瑞医疗获得了超声波束合成效率的专利，开立医疗则在新一代平台上导入了全场连续聚焦的相干场成像技术。
国产医疗超声芯片的突围路径日益清晰：从专用ASIC切入高壁垒细分场景（如ICE），再逐步向通用AFE和波束形成芯片拓展。
在供应链配套层面，电子元器件服务商的角色同样不可忽视。以深耕行业21年的嘉威创盈为例，其产品库中已纳入高压模拟开关、脉冲发生器等医疗超声相关IC（如SY2642、SY2326等型号），覆盖低电荷注入、低串扰、小型封装等关键特性，可在医疗超声影像、工业无损探伤和压电传感器驱动等场景中为研发团队提供选型沟通和样片支持。
六、医疗超声芯片的未来方向
综合来看，医疗超声芯片正在沿着四条主线演进：
- 小型化与可穿戴化：从掌上超声到贴片式传感器，芯片的集成度和功耗决定了设备的形态边界。MEMS-CMOS单片集成是实现这一目标的关键工艺路线。
- 智能化：AI正在深度融入超声芯片的处理管线。GE医疗基于英伟达技术开发的SonoSAMTrack模型，已经能够在实时超声影像中自动分割解剖结构和病变区域。未来，越来越多的AI推理任务将从云端下沉到芯片端完成。
- 多功能化：超构换能器等新型器件的出现，正将传统换能器从单一的能量转换器件升级为集聚焦、波束形成和模式滤波于一体的多功能单元。
- 国产替代：在心腔内超声、掌上超声等细分赛道，国产厂商已经具备了从芯片到系统的完整能力。下一步的关键是向高端通用型超声芯片市场拓展。
从压电陶瓷到MEMS微机械，从分立器件到单芯片集成，医疗超声芯片的每一次技术迭代，都在拉近高质量医学影像与普通患者之间的距离。当超声设备小到可以塞进口袋、薄到可以贴在皮肤上时，医疗健康服务的形态也将被彻底改写。