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一、基本原理

在超聲成像掃描階段，換能器發(fā)射聲波脈沖到人體的感興趣區(qū)域中。然后，后向散射回波信號被采集并經(jīng)過信號后處理生成超聲圖像。圖1所示為超聲成像的基本原理。在進行超聲成像時，如圖 (a)所示，首先通過對能夠產(chǎn)生和檢測超聲波能量的壓電換能器進行電激勵發(fā)射超聲波束對成像介質(zhì)進行掃描。然后，如圖 (b)所示，發(fā)射的超聲脈沖在介質(zhì)中進行傳播并與介質(zhì)中的散射點相互作用。由于介質(zhì)的不均勻性以及和超聲脈沖之間的相互作用，產(chǎn)生的反射和散射回波將會增加。最后，如圖 (c)所示，這些回波向后傳播到切換為接收模式的換能器陣列上，并被轉(zhuǎn)換成電信號（即原始通道數(shù)據(jù)）。這些回波包含了成像介質(zhì)的重要特性，通過對接收到的信號進行相應(yīng)的后處理，重建得到待成像介質(zhì)的超聲圖像。

圖 超聲成像基本原理

二、基本結(jié)構(gòu)

無論是柔性還是剛性探頭，在結(jié)構(gòu)上均大致分解為聲透鏡、匹配層（一層或多層）、壓電材料（如鋯鈦酸鉛）、上下電極層（如Au或鉑Pt）、背襯及封裝殼體等。壓電換能器是一種疊堆層式結(jié)構(gòu)，因此任意一層的設(shè)計和制備需要根據(jù)使用場景不同進行特殊設(shè)計。

圖超聲換能器基本結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu)爆炸圖和關(guān)鍵組件；（b）傳統(tǒng)剛性探頭和復(fù)合柔性超聲貼片乳腺檢查掃描方式與 貼片超聲對應(yīng)乳房乳腺密度區(qū)域

1.壓電元件   壓電元件是超聲換能器的核心功能單元，通常采用鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷多晶材料制成。其制作過程包括高溫高壓極化賦予壓電特性，再根據(jù)目標頻率切割成特定厚度的薄片，并在上下表面鍍覆電極。陣元在結(jié)構(gòu)上呈長方體：厚度直接決定換能器的中心頻率；長度方向（垂直于陣列排列方向）的尺寸（通常為6–13?mm）主要用于調(diào)節(jié)靈敏度與波束聚焦，其諧振頻率遠低于工作頻段；寬度方向則與陣元間距（pitch）相關(guān)。為抑制寬度方向諧振對厚度振動的干擾，每個陣元常沿寬度方向再分割為若干微元，各微元間電極并聯(lián)、協(xié)同工作，從而獲得更單一的振動模態(tài)。

2. 背襯層    背襯層附著于壓電元件背面，主要起阻尼與吸聲作用。其設(shè)計需兼顧兩方面：一是通過增加機械阻尼促使壓電元件在激勵后迅速停止振動，從而縮短脈沖長度、提升軸向分辨力；二是吸收并衰減向后傳播的超聲波，減少界面反射造成的信號干擾。背襯材料的聲阻抗匹配程度直接影響換能器性能：若與壓電元件聲阻抗接近，則向后波幾乎無反射進入背襯并被吸收，可獲得干凈短脈沖，但會降低換能器靈敏度；若阻抗差異顯著，則較多能量被反射回壓電片，靈敏度提高，但脈沖持續(xù)時間延長。實際設(shè)計常在脈沖寬度與靈敏度之間尋求折衷。

3. 匹配層   由于壓電陶瓷（聲阻抗約33?Mrayls）與人體軟組織（約1.5?Mrayls）之間聲阻抗差異巨大，直接在界面處會產(chǎn)生強烈反射，導(dǎo)致超聲能量難以進入人體。為此，在壓電元件前方添加一至多層匹配層，起阻抗過渡作用。匹配層需滿足低超聲衰減、厚度為四分之一波長的奇數(shù)倍（通常取λ/4），以及特定聲阻抗值等要求。多層匹配能拓寬頻帶并提高傳遞效率，但工藝難度相應(yīng)增加，故實用中多采用雙層結(jié)構(gòu)。隨著頻率升高，波長變短，匹配層厚度顯著減小（例如10?MHz對應(yīng)約0.05?mm），制作精度要求更高。

4. 聲透鏡   聲透鏡主要用于在垂直于陣列排列的方向上對聲束進行幾何聚焦，其原理是利用聲波在不同聲速介質(zhì)界面發(fā)生的折射使波束會聚。通常選用聲速低于人體組織的材料制成凸柱面透鏡，通過計算曲率半徑可設(shè)定固定的聚焦深度。另一種方式是將壓電元件本身制成凹曲面，從而在該方向上實現(xiàn)直接聚焦，此時探頭表面可為平面。聲透鏡作為接觸人體的最外層，需采用生物相容性好、耐磨性強的材料，日常維護應(yīng)保持其表面清潔，避免耦合劑殘留影響聲學性能。

三、主要類型

1.機械扇(形)掃(描)探頭

機械扇掃探頭通過電機驅(qū)動單元式換能器進行機械擺動或旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)聲束的扇形掃描。早期曾廣泛用于腹部和心臟檢查，現(xiàn)已幾乎僅限于眼科A/B超應(yīng)用。其外形通常呈圓柱形手柄配半球形端部，接觸面兩側(cè)常切出淺平臺以指示掃描方向；工作時因存在機械運動，可感知振動與噪聲。探頭端部為透聲塑料制成的充油腔體，內(nèi)置一至三個單元式換電陶瓷換能器，由柄內(nèi)電機驅(qū)動擺動或輪流旋轉(zhuǎn)工作，從而采集回波并生成扇形圖像。該圖像在近場中心存在無信號的“缺損”區(qū)域，即缺少“扇軸”部分。此外，曾出現(xiàn)一種高檔的環(huán)陣變型，其晶片被切割為同心圓環(huán)并按陣列方式工作以實現(xiàn)多點聚焦，但因制造復(fù)雜、成本高昂且逐漸被電子掃描探頭取代，現(xiàn)已少見。

2. 平面線陣探頭

 圖   線陣探頭，其成像為矩形

平面線陣探頭采用數(shù)十至數(shù)百個獨立陣元沿長邊方向線性排列，通過電子切換與組合實現(xiàn)聲束的平移掃描。在凸陣探頭普及前，它是腹部檢查的主力（頻率約3.5?MHz），此后主要轉(zhuǎn)向小器官及表淺組織檢查，頻率多升至5?MHz以上甚至9?MHz。探頭外形多為長方形，長邊對應(yīng)晶片排列方向；結(jié)構(gòu)從外至內(nèi)依次為聲透鏡、雙層匹配層、切割成窄條狀的壓電晶片陣元（陣元間填充吸聲橡膠）、背襯以及前置放大電路。工作時通常以約十個陣元為一組發(fā)射與接收，通過遞推組合與電子開關(guān)切換，形成沿長邊方向的掃描聲束，最終合成矩形圖像。在一維探頭中，晶片短邊方向不作切割；而在1.25、1.5、1.75維探頭中，短邊方向也進行切割并引入電子聚焦，以改善該方向的聲束性能。

3. 凸陣探頭

圖 凸陣探頭，其成像為扇形

凸陣探頭可視為將線陣探頭的平面晶片改為弧形排列，其聲束通過類似線陣的電子掃描方式工作，但因陣元呈弧形分布，掃描圖像呈現(xiàn)扇形，從而擴大了中遠場的視野范圍。依據(jù)晶片曲率半徑（R）的不同，其用途有所區(qū)分：R大于30?mm者主要用于腹部檢查；小R（10–20?mm，常稱“微凸”）則適用于心臟檢查。探頭外形特點是輻射面為向外凸出的弧形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)從聲透鏡、匹配層、壓電晶片到背襯均與線陣探頭相似，僅晶片形狀改為弧形。所生成的扇形圖像完整連續(xù)，即“只有扇面，無扇骨部分”，與機械扇掃的中心缺損形成區(qū)別。

4. 相控陣探頭

相控陣探頭采用電子延遲技術(shù)同時實現(xiàn)聲束的聚焦與偏轉(zhuǎn)，從而無需機械運動即可獲得扇形掃描，故亦稱電子扇掃探頭。其主要用途是心血管的彩色血流成像，通常在同一探頭上通過切換工作模式，分別獲取黑白解剖圖像、彩色血流圖像及多普勒頻譜。探頭外形接近正方形，類似輻射面較小的平面線陣；內(nèi)部結(jié)構(gòu)與線陣相似，包含聲透鏡、匹配層、壓電陣元及背襯等。其核心特點在于采用兩組延遲線：一組用于多段電子聚焦，另一組專司聲束方向偏轉(zhuǎn)，使所有陣元可協(xié)同工作實現(xiàn)扇形掃描。在連續(xù)波多普勒模式下，半數(shù)陣元并聯(lián)發(fā)射、另半數(shù)并聯(lián)接收。最終生成的扇形圖像完整無缺損，且具有較好的近場視野，適用于經(jīng)肋間等聲窗受限的心臟檢查。

表  各類探頭的特性

四、超聲機器人技術(shù)

超聲機器人技術(shù)正以前沿的智能化與精準化變革，深度融入現(xiàn)代醫(yī)療的核心場景。通過融合人工智能與自適應(yīng)控制系統(tǒng)，它不僅實現(xiàn)了掃描路徑的自主優(yōu)化與實時參數(shù)調(diào)節(jié)，更在腫瘤消融、神經(jīng)調(diào)控等復(fù)雜治療中展現(xiàn)出高精度引導(dǎo)能力。隨著多模態(tài)影像融合與5G遠程協(xié)作的突破，超聲機器人已跨越空間限制，賦能遠程診斷、急救現(xiàn)場與家庭健康管理。當前，該領(lǐng)域持續(xù)向全流程智能化、操作精準化與平臺集成化演進，不斷拓展其在疾病篩查、手術(shù)導(dǎo)航及個性化治療中的全新應(yīng)用形態(tài)。以下將結(jié)合最新研究，進一步解析超聲機器人的關(guān)鍵技術(shù)進展與未來發(fā)展方向。

1.肺部超聲成像引導(dǎo)機器人技術(shù)

圖  基于機器人超聲檢查（Robotic Ultrasound System, RUSS）的LUS場景：(a) RUSS的設(shè)置和坐標約定。(b) 超聲探頭的放置位置以獲取縱向肋間視圖，即LUS的SIP。(c) 從SIP獲取的代表性超聲圖像。(d) 探頭的平面內(nèi)視圖和平面外視圖。紅色光束代表光學傳感器的距離測量。

美國伍斯特理工學院 Haichong K. Zhang團隊提出了一套用于機器人肺部超聲檢查的標準成像平面（SIP）自主導(dǎo)航框架。該系統(tǒng)基于實時超聲圖像反饋，能夠從初始粗略定位（誤差范圍1-2厘米）出發(fā)，完成“最后一厘米”的高精度探頭引導(dǎo)。通過集成定制設(shè)計的主動終端執(zhí)行器（A-SEE）并結(jié)合基于圖像的視覺伺服控制（IBVS）算法，實現(xiàn)探頭位姿的自主實時調(diào)整，從而保障成像的一致性與高質(zhì)量。

研究在模擬肺模型及五名男性志愿者中對該系統(tǒng)進行了驗證。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可在平均5秒內(nèi)成功導(dǎo)航至目標SIP，探頭定位誤差小于2毫米，旋轉(zhuǎn)誤差小于2度。此外，系統(tǒng)在面對個體解剖結(jié)構(gòu)差異時仍表現(xiàn)穩(wěn)定，體現(xiàn)出良好的跨患者適應(yīng)性，有助于實現(xiàn)標準化的診斷操作。

本工作驗證了該導(dǎo)航框架的高精度與臨床可行性，為肺部超聲的自動化、標準化檢查提供了可靠方案。該框架具備良好的擴展性，未來可進一步推廣至肝臟、甲狀腺等其它器官的超聲檢查任務(wù)中，并在更廣泛的人群中驗證其普適性與有效性。

2. 人工智能技術(shù)結(jié)合機器人引領(lǐng)自動化手術(shù)新方向

慕尼黑工業(yè)大學計算機輔助醫(yī)療與增強現(xiàn)實團隊CAMP（Computer Aided Medical Procedures & Augmented Reality）在其綜述中指出，隨著人工智能與傳感技術(shù)的快速發(fā)展，自動化醫(yī)療機器人已在醫(yī)療領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。其中，機器人超聲系統(tǒng)（RUSS）因其獨特的優(yōu)勢，受到了學界與業(yè)界的共同重視。與多數(shù)手術(shù)機器人不同，超聲檢查具備非侵入性特點，這使其在倫理、法律及監(jiān)管層面面臨的約束相對較少。同時，超聲成像憑借其便攜、實時、無輻射等優(yōu)勢，已成為基層醫(yī)療中不可或缺的工具。

左圖：機器人超聲成像在臨床上的典型應(yīng)用。從2點鐘方向開始逆時針依次為：肝臟、心臟、肺、乳房、頸動脈、甲狀腺、大腦、脊柱、主動脈、胎兒、腎臟、前列腺、四肢血管。右圖：為了自主操控超聲探頭以獲得診斷視圖，設(shè)想中的智能機器人超聲醫(yī)生應(yīng)能夠利用先前的解剖學知識并分析實時觀察結(jié)果來進行行動推理。

3. 穿刺機器人技術(shù)新突破：更精準的經(jīng)皮監(jiān)測系統(tǒng)

在超聲引導(dǎo)的經(jīng)皮針刺穿刺臨床實踐中，針體在組織內(nèi)行進時常因復(fù)雜的相互作用而偏離超聲成像平面，導(dǎo)致術(shù)中實時監(jiān)測困難。為解決這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)，慕尼黑工業(yè)大學CAMP團隊在其最新研究中提出了一套機器人輔助超聲成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在針體脫離成像平面時，自動調(diào)整探頭位姿以恢復(fù)針體的實時可視性。

研究采用了一種具有對抗性結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型，該模型能夠生成在高層特征空間中與真實標注高度一致的分割掩模。團隊系統(tǒng)探究了多種訓練損失函數(shù)及其組合對分割效果的影響。當系統(tǒng)檢測到探頭與針體之間的位置失配時，機器人會自主啟動橫向搜索機制，通過優(yōu)化位置與旋轉(zhuǎn)調(diào)整，重新獲取針體的清晰圖像。

在離體豬組織實驗中，該方法實現(xiàn)了對經(jīng)皮針的精準分割，其尖端定位誤差為0.37±0.29毫米，角度誤差為1.19±0.29°。此外，在全部45次試驗中，系統(tǒng)均成功恢復(fù)了針體在超聲圖像中的可視性，重新定位誤差控制在1.51±0.95毫米和1.25±0.79°以內(nèi)，驗證了該方法的有效性與可靠性。

圖  針插入離體豬樣本的示意圖 (a) 是整體場景，(b) 和 (e) 分別表示失配情況和期望情況。(c) 和 (d) 分別是在 (b) 和 (e) 情況下獲得的相應(yīng)B模式圖像。

4. 結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的并行計算超聲手術(shù)機器人實現(xiàn)復(fù)雜手術(shù)

圖   在意大利維羅納的Ospedale Maggiore醫(yī)院舉行的ROBOCAST項目最終演示中展示了術(shù)中超聲導(dǎo)航機器人：使用光學跟蹤的US探測器，可以在三維場景中實現(xiàn)圖像平面的可視化

中國科學院Fei-Yue Wang團隊在研究中指出，自20世紀90年代末起，歐美及日本學界對自動化超聲系統(tǒng)的研究興趣持續(xù)增長，其核心目標是解決臨床實踐中手持探頭難以長時間保持精準定位等問題。

該研究強調(diào)，機器人術(shù)中超聲系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用，關(guān)鍵在于虛擬環(huán)境與并行系統(tǒng)的協(xié)同，以此提升診斷成像的精確性與效率。通過自動化與先進控制系統(tǒng)，機器人超聲旨在優(yōu)化超聲引導(dǎo)手術(shù)流程，減少人為誤差。研究進一步探討了機器人技術(shù)在經(jīng)直腸超聲（TRUS）及經(jīng)食管超聲心動圖（TEE）等具體場景的應(yīng)用潛力。例如，TEE機器人系統(tǒng)可顯著減輕操作者的體力負荷，簡化流程，從而提升手術(shù)效率。

此外，研究團隊介紹了一種新型虛擬平臺。該平臺利用3D建模與超聲成像模擬技術(shù)，使醫(yī)生能夠在術(shù)前進行手術(shù)預(yù)演與路徑規(guī)劃，有效提高了手術(shù)的安全性及成功率。文中的多項案例研究初步展示了該集成系統(tǒng)在臨床中的實際效果與潛在優(yōu)勢。

圖   使用混合整數(shù)遺傳算法（GA）進行自動視圖優(yōu)化的結(jié)果，優(yōu)化了（a）雙腔靜脈視圖，其中基準點位于下腔靜脈（IVC）、上腔靜脈（SVC）和右心房（RA）中心，以及（b）ME主動脈瓣松弛視圖，基準點位于主動脈瓣和二尖瓣中心。上方行顯示了遺傳算法優(yōu)化過程中懲罰值的變化，以及隨著代數(shù)增長最終達到的收斂情況。

5.深度與熱成像融合技術(shù)的全自動化超聲機器人取得新進展

超聲檢查的準確性與效率高度依賴操作者經(jīng)驗，這不僅限制了其應(yīng)用的一致性與普適性，也導(dǎo)致超聲技師因重復(fù)性操作而面臨肌肉骨骼勞損等職業(yè)健康問題。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，融合機器人技術(shù)的自動化超聲系統(tǒng)逐漸成為研究熱點，但現(xiàn)有系統(tǒng)在掃描區(qū)域定位與探頭操控等方面仍需較多人工干預(yù)。

圖  機器人超聲成像系統(tǒng)的不同視角

實驗從多角度驗證了系統(tǒng)性能：在掃描區(qū)域定位方面，模板匹配算法表現(xiàn)出良好的重復(fù)性與穩(wěn)定性；探頭操控方面，力矩反饋控制能有效維持探頭與體表的垂直姿態(tài)；志愿者實驗進一步證明，該系統(tǒng)可成功完成腰部超聲成像，在圖像采集的準確性與一致性上優(yōu)于手動操作，展現(xiàn)出良好的臨床應(yīng)用潛力。

左圖：針對三個不同個體（a–c）的模板匹配算法，顯示原始數(shù)據(jù)、預(yù)處理點云、FGR后對齊的模板和ICP后對齊的模板。右圖：志愿者實驗，（a）自主成像方法，（b）手動成像方法。兩張圖均顯示了顯著的腰椎L3、L4、L5和骶骨，并用線條表示多裂肌的厚度。