為了解決傳統袖帶式血壓監測方案的局限性，研究人員已開發出多種可穿戴式無袖帶血壓監測方案，包括光電容積描記法（PPG）、動脈壓測量（Tonometry）以及基于脈搏傳導時間（PTT）的監測系統。盡管這些方案具有無創、便攜等優點，但它們的信號極易受到膚色、運動偽影、環境光照以及淺層血管差異等因素的干擾。此外，在監測更深層血管時，它們的性能通常顯著下降，從而限制了臨床可靠性與測量精度。相比之下，可穿戴超聲系統正成為無創心血管監測的一種有前景的技術路線，其能夠在無需袖帶的情況下實時評估血管動力學狀態。然而，將高性能壓電材料集成至柔性、皮膚貼合的器件中，仍需攻克機械拉伸性、聲學保真度及可擴展性等多方面挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，針對上述挑戰，韓國機械與材料研究院（Korea Institute of Machinery and Materials）和韓國科學技術聯合大學（University of Science and Technology）等機構的研究團隊聯合開發出一種基于1-3結構鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）復合壓電材料的柔性超聲換能器陣列（UTA），專門用于連續血壓監測。通過飛行時間（ToF）模擬仿真和血管仿生模型實驗驗證，該系統能夠準確追蹤血管直徑變化，并估算實時血壓。這些成果證明了柔性、可擴展超聲系統用于可穿戴血流動力監測的可行性，并表明其有望應用于下一代即時檢測（POCT）設備。相關研究成果以“Skin-conformal PMN-PT ultrasonic sensor for cuffless blood pressure sensing via eutectic solder integration”為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
圖1 本研究的圖文摘要
在柔性超聲換能器陣列的開發過程中，實現壓電單元與柔性電極之間可靠、低電阻的電連接是一項關鍵挑戰。為克服這些問題，必須開發低溫集成方法，在保持壓電元件功能完整性的同時，確保其在柔性基底上的機械與電連接穩定。在這項工作中，研究人員設計、制備并驗證了一種基于柔性PMN-PT 1-3復合材料的5 × 4超聲換能器陣列，專門用于連續無創血壓監測。該陣列的一項關鍵創新點在于采用了Sn-Bi共晶焊料的雙面鍵合工藝，將鍵合溫度控制在150°C以下，從而避免了PMN-PT出現退極化，同時實現了可承受彎折與皮膚貼合變形的穩定機械-電連接。
圖2 柔性超聲換能器陣列的概念及功能圖示
圖3 柔性超聲換能器陣列的結構設計
圖4 柔性超聲換能器陣列的制備與鍵合工藝
為評估該柔性超聲換能器陣列的性能，研究人員開展了全面測試，包括電阻抗測量、發射指向性、接收角度以及聲回波測試等。電-聲性能測試結果表明，該陣列的共振頻率約為6.0 MHz，-3 dB帶寬達38%，接收角可達45°（可在不同角度條件下采集聲學信號）；并且無需額外設置聲學匹配層或背襯層，在簡化制備工藝的同時，同步保持了優異的信號保真度。
圖5 機械應變下的阻抗表征結果
圖6 聲壓測量實驗
為了驗證臨床可行性，研究人員構建了復雜的血管仿生模型，模擬人體血流的脈動壓力。通過飛行時間（ToF）模擬仿真估算了血管壁位移及壓力變化，隨后結合血管仿生模型開展體外實驗，驗證了該陣列對血管直徑變化的檢測能力，以及其連續估算收縮壓和舒張壓的高精度表現。測試結果顯示，該陣列測得的收縮壓與舒張壓，與商用參考傳感器測量值相比，誤差均控制在4 mmHg以內。除了可直接應用于可穿戴心血管診斷外，研究人員還展示了將高性能壓電材料集成至柔性平臺的可擴展路徑，為下一代可穿戴超聲系統奠定了基礎。
圖7 血壓監測實驗
圖8 血管動脈直徑測量實驗
綜上所述，這項研究提出一種基于PMN-PT復合材料的柔性超聲換能陣列，通過雙面共晶鍵合工藝實現了低溫集成，既保留了PMN-PT的壓電與機電性能，又確保了器件具備配皮膚貼附需求的機械柔性與電連接穩定性，可有效用于連續無創血壓監測。研究人員指出，未來將聚焦波束形成優化、先進聲耦合層開發及體內驗證研究，以推動連續血流動力學監測在臨床與家庭場景中的實際落地。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-01110-2
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