技術筆記：超音波技術

一個音波從探頭出發、遇到物體反射回來，波速固定下，波的來回(飛行)時間和距離是可以互相換算的。不同組織傳遞速度不同，波的回覆時間也不同，就可據此推測目前的組織密度。

但此種一維的聲波，打到生物組織後，會往三維空間亂跑亂射，就會分不清楚訊號到底是在哪裡遇到甚麼東西，所以超音波系統都是用陣列探頭來做。陣列探頭就是掃描的那根探頭其實是有數十個到上百個小探頭組成，原理像是指向性喇叭或收音設備，會有聚焦處理來專注在目標方向、深度的波源。

超音波發射聚焦 參考 參考

在電路中，會計算設定的掃描深度位置，對應到各個小探頭的time-of-flight，把每個探頭的發射時間微調到能讓波前同時抵達目標區域，達成建設性干涉波，其他區域的訊號則因破壞性干涉而降低，這就是所謂的發射聚焦；反之亦然，接收回波訊號時，會再對每個深度點分別做時間延遲並加總的計算，來達到接收聚焦、重建出每處的訊號大小。這是將電訊號轉為波訊號，再將波訊號轉變為電訊號的過程。DIY套件連結 連結  連結  玩具約40khz。

而這種聚焦方式，一次發射訊號只能在特定深度和方向。以一幅常見的B-mode扇形影像為例，都是經過至少數十次不同角度的掃描才運算重組出來的，運算的原始資料量還會多到每秒幾GB。其他像是color doppler mode之類的掃描，大多也是經過這類聚焦後的原始資料運算得來(連結)。

關於超音波，還有個重要分支要介紹，就是製程改變。傳統超音波掃描器採用壓電晶體(crystal)建立體內影像，新製程，採用Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT)電容式微機械超音波感測器技術，利用標準CMOS製程和微機電製程技術MEMS，CMOS製程主要以氧化層作為換能器薄膜材料，並以金屬層、插銷層完成該CMUT換能器基本結構。微機電MEMS利用蝕刻和光阻做為犧牲層材料進行製作掏空。

參考台大團隊實驗(連結 連結)，開發出來的CMOS-MEMS CMUT其中心頻率大概7~8MHz，比例頻寬(Fractional Bandwidth)大約75%~85%，靈敏度為2.894mV/kPa，由商用Pulser PR5900(Panametrics Inc., Waltham, MA, USA)致動，其發射聲場大約為760kPa。

類似製程的躍進，直接影響就是更便宜，體積更小，解析度更高的產品，如Butterfly Network產品橫空出世。題外話1，看到一篇專業醫師評測，四個產品中，Butterfly是第四名。題外話2，找到一個牠在台灣招募的資料。

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另外就是，工研院有幾個類似科專計畫，還有台灣超象科技(連結)也在做同樣的產品。