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电子科大、天津工大、四川省人民医院: 柔性生物电子传感器推动医用可穿戴超声技术发展

发布时间:2026-06-26 来源:纳微快报 浏览量: 字号:【加大】【减小】 手机上观看

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可穿戴柔性超声生物传感器(WFUBs)能够舒适地应用于人体,同时具备持续监测与干预治疗的功能。


WFUBs 融合柔性电子、超声换能、生物传感技术,具备超薄、低模量、可拉伸、生物相容、可降解等特性,可贴合人体不规则曲面,解决刚性探头耦合难题,同时兼顾持续生理监测 + 超声介入治疗双重功能,是连接人体组织与检测设备的核心载体。


综述总结了关于如何获取特定生物组织数据的技术进展,以及传感器的结构设计、材料选择等方面的情况,包括基底、电气连接、电极以及生物传感器的材料合成等。此外,还探讨了提高可穿戴超声系统性能的方法,并进一步讨论了其在医疗保健、诊断成像和干预治疗中的应用前景。最后,探讨了下一代 WFUBs 领域所面临的挑战以及未来的研究方向。


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可穿戴柔性超声生物传感器的关键要素包括:材料选择、设备性能、植入方式以及应用场景等。柔性压电材料的选用、柔性基底材料的选择、电气连接以及配套层的设计;设备的性能表现,如图像分辨率、传输速率、带宽匹配程度以及弯曲程度;植入方式则包括侵入式与非侵入式两种。该传感器的应用领域包括诊断、个性化治疗以及健康管理等方面


WFUBs

可穿戴超声技术发展时间线


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可穿戴超声换能器的研发历史


✅ 1940 年:柔性超声换能器概念首次提出;

✅ 2000 年:柔性压电材料应用于超声设备,奠定柔性传感器制造基础;

✅ 2015 年:初代柔性超声传感器诞生,可穿戴超声雏形落地;

✅ 2018 年:首款无创血压监测穿戴超声设备问世,正式进入功能化阶段;

✅ 2019–2022 年:压电复合材料迭代,实现多器官连续实时监测;

✅ 2024 年:完成临床验证,走出实验室,走进病房与家庭;

✅ 2025 年:实现多模态生理信号一体化监测;

✅ 2026 年:系统综述发布,材料、结构、诊疗体系全面成熟。


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可穿戴超声的诊断与治疗方法: a. 无线式可穿戴超声贴片;b. 附着在衣物上的纺织式探头的图像,以及织物探头的示意图和横截面图;c. 通过多传感器持续监测颈动脉血管的原理;d. 可弯曲的压电复合材料用于监测血压;e. 可注射且可降解的超声传感器;f., g. 声学透明的颅骨窗口的构造方法;h. 超声在神经调节和药物释放中的应用


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柔性超声传感器的结构及形状特征


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WFUBs 的类型及其内部结构


两大技术路径

WFUBs 获取生物组织生命体征信息


路径 1:传感器直接贴合皮肤无创检测(主流方案)

超声能量直接与人体组织交互采集信号,副作用小、操作便捷,应用场景覆盖术后康复、甲状腺、心血管、膀胱、颅内血管监测等。


路径 2:人工植入无源靶标辅助检测(深部组织增强方案)

在组织附近植入可降解无源介质(无供电、无电路),WFUBs 体外发射超声读取靶标信号,间接获取组织生理参数,解决超声穿透弱、分辨率低问题,同时拓展介入治疗能力。


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可穿戴超声设备在诊断、治疗以及健康管理方面的应用总结。其应用领域包括预防医学、健康管理、疾病诊断以及个性化干预治疗等


优化方向

WFUBs 四大核心性能优化方向


💡核成像分辨率(轴向 + 横向分辨率)

影响因素:超声衰减、人体运动、颅骨遮挡、换能器几何误差;优化手段:① 几何相位校正、光学形状传感光纤实时矫正探头形变;② 多边形拟合算法定位换能器;③ 复合压电材料、相控阵阵列设计。


💡信号传输效率

痛点:软组织分层反射、颅骨屏蔽造成信号损耗;优化:梯度阻抗匹配层、中心频率与带宽调谐、光声双模融合传感器,运动状态下无线传输稳定性显著提升。


💡带宽匹配特性

窄带宽压电材料会降低成像清晰度;优化:无铅 P (VDF-TrFE) 大面积阵列;金属环氧复合背衬层吸收杂波,拓宽工作带宽。


💡曲面适配弯曲性能

医用场景需适配皮肤、血管、脏器复杂曲面,弯折角度常超 90°;优化:超薄薄膜结构、嵌入式形变传感光纤;大曲率适配换能器可用于甲状腺、颈动脉活体成像。


// 参考链接 //

Flexible bioelectronic sensors promote the advancement of wearable ultrasound technology in the medicine. 

https://doi.org/10.1038/s41378-026-01308-y


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