基于PMN-PT的柔性超声换能器阵列用于无袖带血压监测

基于PMN-PT的柔性超声换能器阵列用于无袖带血压监测

传统袖带式血压测量方法存在诸多限制，促使研究者探索多种无袖带式可穿戴血压监测技术。目前主流方案包括光电容积描记法（PPG）、动脉压测量（Tonometry）和脉搏传导时间（PTT）监测系统。尽管这些方法具备无创和便携的优势，但在实际应用中，其信号容易受到肤色差异、运动伪影、环境光干扰及表层血管波动等因素影响。此外，当涉及更深层血管时，监测精度常显著下降，从而制约了其临床适用性。

相较于现有技术，可穿戴超声系统展现出更大的潜力，尤其在无需袖带的情况下，能够对血管动力学状态进行实时评估。然而，要将高性能压电材料集成至柔性、贴肤的器件中，仍然面临诸多挑战，如机械拉伸性不足、声学保真度有限以及制造可扩展性等问题。

据麦姆斯咨询报道，韩国机械与材料研究院（Korea Institute of Machinery and Materials）与科学技术联合大学（University of Science and Technology）等机构的研究人员联合开发了一种基于1-3结构铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）复合材料的柔性超声换能器阵列（UTA），旨在实现连续血压监测。通过飞行时间（ToF）模拟和仿生血管实验，研究团队验证了该系统能够有效追踪血管直径变化，并估算实时血压。该成果展示了柔性、可扩展超声系统在可穿戴血流动力监测领域的应用前景，为下一代即时检测（POCT）设备提供了新的技术路径。相关研究以“Skin-conformal PMN-PT ultrasonic sensor for cuffless blood pressure sensing via eutectic solder integration”为题，发表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊。

图1 本研究的图文摘要

在构建该柔性超声换能器阵列过程中，如何在压电单元与柔性电极之间建立稳定、低阻抗的连接成为关键问题。研究团队采用了一种低温集成策略，确保在保持PMN-PT压电性能的同时，实现与柔性基底的可靠连接。

图2 柔性超声换能器阵列的概念及功能图示

图3 柔性超声换能器阵列的结构设计

图4 柔性超声换能器阵列的制备与键合工艺

研究人员开发出一款5×4结构的柔性PMN-PT 1-3复合材料超声换能器阵列，专为连续无创血压监测设计。其中，关键创新在于采用Sn-Bi共晶焊料实现双面键合，键合温度控制在150°C以下，避免PMN-PT发生退极化，同时确保器件具备贴合皮肤所需的良好柔性和稳定电连接。

图5 机械应变下的阻抗表征结果

图6 声压测量实验

为全面评估该阵列的性能，研究人员进行了多项测试，包括阻抗测量、发射指向性分析、接收角度测试及声回波响应。测试结果表明，该阵列的共振频率约为6.0 MHz，-3 dB带宽达38%，接收角度达45°，且无需添加声学匹配或背衬层即可保持优异的信号质量。

为验证其在临床中的可行性，研究团队构建了模拟人体血流的脉动血管仿生模型。借助飞行时间模拟估算血管壁位移及压力变化，并通过实验测试验证了该换能器阵列对血管直径变化的检测能力。测试结果表明，所测得的收缩压和舒张压与商用传感器数据的误差均在4 mmHg以内。

图7 血压监测实验

图8 血管动脉直径测量实验

研究人员指出，除了在心血管监测中具备直接应用潜力，该技术还为高性能压电材料在柔性平台上的集成提供了可行路径，为未来可穿戴超声系统的发展奠定了基础。

本研究提出了一种基于PMN-PT复合材料的柔性超声换能器阵列，通过共晶焊料低温键合工艺实现了器件的高柔性与稳定连接，从而适用于连续无创血压监测。团队表示，后续研究将聚焦于波束形成优化、先进声耦合层开发以及体内验证，以推动该技术在临床和家庭场景中的实际应用。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01110-2

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