Ultraääni on terveydenhuollossa vahvasti vakiintunut teknologia. Sen hyödyntämistä on kuitenkin pitkään rajoittanut laitteiden koko ja energiankulutus sekä järjestelmien monimutkaisuus. Siksi ultraääntä on hyödynnetty pääosin kookkaissa laitteissa ja lyhytkestoisissa mittauksissa. Uuden ratkaisun tuo pietsosähköinen mikrokoneistettu ultraäänianturi eli PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer).
Valtaosa nykyisestä terveydentilan seurannasta nojautuu yhä hetkellisiin mittauksiin, eli kontrolloiduissa olosuhteissa ja tietyllä hetkellä kerättyyn dataan. Tällainen mittaus antaa kuitenkin monien sairauksien kohdalla vain osittaisen kuvan elimistön tilasta, erityisesti silloin kun kyse on sydän‑ ja verisuonitaudeista ja kroonisista sairauksista.
Jatkuva seuranta mahdollistaa syvemmän ymmärryksen ihmisen fysiologiasta ja edistyneempien tekoälymallien kehittämisen. Tämä edellyttää, että mittaaminen tapahtuu puettavilla tai implantoitavilla laitteilla. Tähän tarvitaan uudenlaisia ultraääniantureita.
VTT vastaa haasteeseen PMUT‑teknologiallaan. Sen avulla voidaan mitata jatkuvasti esimerkiksi verenpainetta, kehon koostumusta tai suurten valtimoiden pieniä liikkeitä luotettavasti ja huomaamattomasti.
”PMUT toimii puettavien ja implantoitavien ratkaisujen mahdollistavana teknologiana. Vaikka kilpailevilla teknologioilla on yksittäisiä vahvuuksia, PMUT yhdistää tarvittavan suorituskyvyn ja skaalautuvan tuotannon tavalla, johon useimmat vaihtoehdot eivät pysty”, sanoo VTT:n lääketieteellisiin mikrojärjestelmiin perehtynyt erikoistutkija Cyril Karuthedath.
PMUT-teknologia mahdollistaa jatkuvan mittauksen
PMUT‑laitteet ovat hyvin pieniä MEMS‑teknologialla (Micro Electrical Mechanical Systems) valmistettuja ultraääniantureita, joiden koko vaihtelee millimetreistä senttimetreihin. Tavanomaisiin ultraääniratkaisuihin verrattuna niiden keskeinen etu piilee matalassa käyttöjännitteessä, mikä tarkoittaa myös pienempää virrankulutusta.
PMUT‑pohjaisten ratkaisujen merkittävä käytännön etu on niiden soveltuvuus joustaviin ja mukautuviin anturijärjestelmiin. Tämä on erityisen tärkeää puettavissa ja implantoitavissa käyttökohteissa, sillä jäykät rakenteet eivät mukaudu kehon luonnolliseen liikkeeseen tai mahdollista luotettavaa, jatkuvaa mittaamista kudoksesta tai sen päältä. Signaalin laadulla ja käyttäjän mukavuudella on suuri merkitys silloin, kun tehdään jatkuvaa kardiovaskulaarista seurantaa.
PMUT-antureille on myös vaihtoehtoja. Niistä tärkein on kapasitiivinen mikrokoneistettu ultraäänianturi eli CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer). Molemmat teknologiat soveltuvat hyvin miniatyrisointiin ja integrointiin, mutta CMUT edellyttää tyypillisesti korkeaa käyttöjännitettä, mikä lisää virrankulutusta ja tekee järjestelmästä monimutkaisemman. Siksi se soveltuu usein huonosti puettaviin ja implantoitaviin ratkaisuihin.
”Monissa resursseiltaan rajoitetuissa sovelluksissa PMUT on ainoa järkevä vaihtoehto. Lisäksi PMUT‑anturit valmistetaan MEMS‑puolijohdeprosesseilla, mikä mahdollistaa suurten laitemäärien tuottamisen kerralla. Tämä tekee niiden valmistuksesta huomattavasti helpommin skaalattavaa ja edullisempaa verrattuna perinteisiin keraamipohjaisiin pietsosähköisiin ultraääniantureihin”, Karuthedath huomauttaa.
MEMS-pohjaisuus mahdollistaa PMUT-anturien joustavan suunnittelun. Niitä voidaan valmistaa monenlaisiin kokoonpanoihin yksittäisistä elementeistä yksi‑ ja kaksiulotteisiin anturiryhmiin. Lisäksi anturien koko, muoto ja mitat ovat sovelluskohtaisesti muokattavissa.
PMUT‑anturien edut näkyvät konkreettisesti VTT:n ja Canary Medicalin hiljattain solmimassa lisensointisopimuksessa. Canary Medical hyödyntää VTT:n MEMS‑pohjaisia antureita implantoitavissa tuotteissaan, jotka tuottavat sydän‑ ja verisuonitauteja koskevaa jatkuvaa mittausdataa potilaiden ja kliinikoiden käyttöön. Tämä tukee kroonisten sydän‑ ja verisuonisairauksien parempaa hoitoa ja seurantaa.
”Tulevaisuudessa PMUT‑teknologiaa voitaisiin hyödyntää myös terapeuttisen ultraäänen sovelluksissa, joita on tutkittu laajasti. Ultraääntä voitaisiin käyttää esimerkiksi lievittämään Parkinsonin taudin kaltaisten kroonisten sairauksien oireita tai helpottamaan lääkkeiden kulkeutumista avaamalla veri‑aivoestettä. Pitkällä aikavälillä PMUT‑pohjaisia ratkaisuja voisi käyttää myös syövän hoidossa”, Karuthedath pohtii.
VTT rakentaa PMUT-konsepteista toimivia ratkaisuja
VTT kehittää PMUT‑teknologiaa osana järjestelmäkokonaisuutta irrallisten anturien sijaan. Tällä tavalla VTT auttaa yrityksiä kehittämään toimivia PMUT-pohjaisia prototyyppejä.
Yhteistyö alkaa yleensä esiselvityksellä, jossa VTT kartoittaa asiakkaan sovelluksen vaatimukset ja arvioi konseptin teknisen toteuttamiskelpoisuuden. Näin asiakkaat voivat tunnistaa keskeiset riskit, suorituskyvyn rajat ja suunnittelurajoitteet ennen merkittäviä investointeja.
Asiakkaille syntyy merkittävää lisäarvoa, kun VTT voi hyödyntää olemassa olevia PMUT‑ ja ultraäänisensorialustoja. Tämä vähentää prototyyppien valmistuskustannuksia olennaisesti. Kun toteutettavuustutkimus on valmis, VTT aloittaa sovelluskohtaisten PMUT‑laitteiden suunnittelun, valmistuksen ja karakterisoinnin joko asiakkaan tarpeiden tai yhdessä määriteltyjen teknisten vaatimusten mukaisesti.
VTT käyttää PMUT‑antureissaan alumiininitridiä (AlN) ja skandiumilla seostettua alumiininitridiä (ScAlN), jotka mahdollistavat alhaisen virrankulutuksen ja korkean herkkyyden. Alumiininitridi tarjoaa vakaan perusmateriaalin, ja skandiumilla seostettu alumiininitridi parantaa suorituskykyä vaativissa sovelluksissa.
”Molemmat materiaalit ovat lyijyttömiä ja täyttävät siten EU:n RoHS‑direktiivin vaatimukset. Vuoteen 2027 mennessä uusi lainsäädäntö poistaa lyijyä koskevat poikkeukset elektroniikka‑ ja keramiikkakomponenteissa, mukaan lukien pietsosähköiset keraamit”, Karuthedath toteaa.
VTT integroi PMUT-anturit saumattomaksi osaksi kokonaisratkaisua
VTT tarjoaa kokonaisvaltaista järjestelmä‑ ja ohjelmistokehitystä, jossa PMUT‑laitteet integroidaan ympäröivään elektroniikkaan. Samalla raaka ultraäänidata muunnetaan käyttökelpoisiksi mittaustuloksiksi algoritmien, signaalinkäsittelyn ja tekoälyn avulla. VTT kehittää myös anturien ja koko järjestelmän toimintaan tarvittavan ohjauselektroniikan.
”Sovelluksesta riippuen kehitystyö voi kattaa myös ASIC‑ (Application‑Specific Integrated Circuit) ja CMOS‑yhteensopivan (Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor) suunnittelun, jotta PMUT integroituu sujuvasti ympäröivään elektroniikkaan ja toimii osana luotettavaa, vähävirtaista järjestelmää”, Karuthedath selittää.
Prototyypin suorituskyvyn validoimiseksi VTT hyödyntää käytännön fantomitutkimuksia ja laboratoriotestauksia kudosta jäljittelevien mallien avulla. Jos hanke etenee kohti kaupallistamista, VTT siirtää immateriaalioikeudet, valmistusosaamisen ja teknisen dokumentaation tuotantokumppaneille tuotannon skaalautumisen tueksi.
Yhdessä asiakkaidensa kanssa VTT laajentaa ultraäänen mahdollisuuksia kehittyneillä materiaaleilla, älykkäällä suunnittelulla ja modernilla järjestelmäajattelulla.
Jatka lukemista
Jaa
