相控阵超声技术通过电子控制多阵元换能器，实现声束在鼻腔上皮的精确聚焦，可机械刺激嗅觉受体或三叉神经，诱导出类似真实气味的感知体验，而无需释放化学挥发物。这种无接触、非侵入式嗅觉诱导方法，在虚拟现实、医疗康复及感官模拟领域具有广阔应用前景，尤其适用于嗅觉障碍患者的重建训练或沉浸式多模态交互。
核心原理在于相控阵的波束形成（beamforming）技术。传统单晶片超声需机械扫描，而相控阵利用数百至数千个压电换能器阵列，通过精确时延控制每个阵元的相位和幅度，形成相干干涉焦点。针对鼻上皮（位于鼻腔顶部，厚度约 0.5-1mm），声束需聚焦于 5-20mm 深度。典型阵列为平面或曲面 2D 阵列，阵元尺寸 λ/2（波长一半，λ=c/f，c=1500m/s 鼻腔介质声速），频率范围 1-5MHz：低频（如 1MHz）穿透深、焦点大（~3mm），高频（如 3MHz）分辨率高（~1mm）。证据显示，聚焦超声（FUS）已用于神经调制，如 Legon 等在人类初级体感皮层实验中，证明毫秒级脉冲可诱发感觉变化（Nature Sci Rep, 2015）。类似地，鼻上皮压力波可激活机械敏感通道（如 Piezo2），模拟薄荷 “凉感” 或辣椒 “刺痛”。
工程落地需优化参数。换能器阵列设计：256-1024 阵元，阵列直径 20-40mm，间距 0.5-1mm。使用 PMN-PT 单晶材料，提升带宽 > 100%。波束形成算法：延时 - 求和（DAS），预聚焦深度 10mm，动态聚焦扫描鼻上皮分区（分区模拟不同 “气味区”）。相位延时 τ_ij = (d_ij・sinθ)/c + (r_i^2 - 2r_i f_z)/2c，d_ij 为阵元到焦点几何距离。频率调制：基频 2MHz，调制脉冲宽度 10-100μs，重复频率 (PRF) 1kHz，占空比 < 1%。低频脉冲（1-1.5MHz）诱发 “温暖 / 扩散” 感，高频（3-4MHz）产生 “尖锐 / 定位” 感。通过 chirp 扫频（1-5MHz 线性调制）模拟复合气味。
生物安全阈值：FDA 指南，机械指数 (MI)<1.9 防空化，热指数 (TI)<1 防升温 > 1°C，空间峰值脉冲平均强度 (I_sppa)<190W/cm²，空间峰值时间平均 (I_spta)<720mW/cm²。鼻腔敏感，保守设峰值负压 P-<3MPa，脉冲能量密度 < 50mJ/cm²。监测：集成温度传感器，实时 B-mode 成像验证焦点位置，避免黏膜损伤。
实施清单：
- 硬件组装：阵列探头 + FPGA/DSP 控制器（Xilinx Zynq），功率放大器（150Vpp 驱动）。
- 校准：水槽水听测试焦点尺寸 (-6dB: 横 1.5mm、轴 3mm)，侧瓣 <-40dB。
- 协议设计：起始强度 0.5MPa，渐增至阈值；会话时长 <10min，间隔> 1min。
- 验证：主观评分（0-10 气味强度），EEG 监测诱发电位，比较真实气味。
- 回滚策略：异常加热立即停止；备用电刺激鼻腔作为 fallback。
风险控制：鼻窦炎患者禁忌；过强焦点致黏膜水肿，限 I_spta<300mW/cm²。实验中，类似 VR 口腔触觉超声（CMU 研究）证明安全动态焦点。
此技术桥接嗅觉工程空白，未来集成 AR 眼镜，实现 “数字气味”。参数可微调特定 “气味库”。
资料来源：
- IEEE Trans Biomed Circuits Syst (2021): US phased array for neuromodulation.
- Nature Sci Rep (2015): Image-guided tFUS on somatosensory cortex.
- Ultrasonic acupuncture phased array simulation (Chinese J Acoust, 2020).