血管內(nèi)超聲換能器的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

侯 尚,費春龍，楊新宇，孫昕郝，周歧發(fā)

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710071)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活質(zhì)量不斷提高，心腦血管疾病的患病率呈現(xiàn)上升趨勢。目前，心血管疾病患者人數(shù)約2.9億，心血管疾病已成為當(dāng)代社會發(fā)病率、致殘率最高的疾病之一[1]。最常見的心血管疾病為動脈粥樣硬化，其特征主要是動脈管壁變厚、變硬，管壁失去彈性及管腔縮小。動脈粥樣硬化的死亡風(fēng)險隨著易損斑塊破裂而顯著增加。確定斑塊易損性有3個主要因素：纖維帽的厚度，動脈粥樣硬化脂質(zhì)核心的大小和構(gòu)成及纖維帽內(nèi)部或鄰近區(qū)域的炎癥。易損性斑塊的薄纖維帽位于血管壁表面附近，脂質(zhì)核通常在動脈壁內(nèi)沉降，并被薄纖維帽覆蓋[2]。這些與正常動脈壁結(jié)構(gòu)相異的特點，可以通過血管內(nèi)超聲技術(shù)來檢測。

1 血管內(nèi)超聲(IVUS)換能器研究現(xiàn)狀

IVUS是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的介入式超聲成像技術(shù)。如圖1所示，IVUS通過心導(dǎo)管將微型化的超聲探頭插入心血管腔內(nèi)進(jìn)行探測，再經(jīng)電子成像系統(tǒng)顯示心血管斷面的形態(tài)和血流圖形[3]。在心血管疾病領(lǐng)域，血管造影是確定粥樣硬化血管狹窄位置和程度的常規(guī)診斷技術(shù)。然而，它不能獲得狹窄血管壁的結(jié)構(gòu)信息來準(zhǔn)確評估粥樣硬化疾病。比較而言，IVUS不僅可以了解管腔的大小、形狀及管壁結(jié)構(gòu)，還可以精確地測量血管腔的截面積，辨認(rèn)血管壁鈣化、纖維化和脂質(zhì)核等病變[4]。近年來，IVUS已成為心血管疾病診斷治療的重要手段。

圖1 IVUS成像原理

目前，市場上IVUS系統(tǒng)中常用的IVUS導(dǎo)管有兩種：

1)機(jī)械旋轉(zhuǎn)型。其通過馬達(dá)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸末端的換能器旋轉(zhuǎn)來獲取回波信號。波科(Boston Scientific)公司的Atlantis SR Pro系列導(dǎo)管及飛利浦火山公司(Philips Volcano)的Revolution系列導(dǎo)管均屬于機(jī)械旋轉(zhuǎn)型。

2)相控陣型。其由環(huán)狀排列的多陣元相控陣換能器構(gòu)成。飛利浦火山公司(Philips Volcano)的Eagle Eye Platinum系列導(dǎo)管是市場上唯一的相控陣型導(dǎo)管。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)型IVUS導(dǎo)管的缺點是在彎曲血管段旋轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)管內(nèi)壁易發(fā)生摩擦，產(chǎn)生不均勻旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致圖像變形；而相控陣型IVUS導(dǎo)管的換能器無需驅(qū)動和回撤裝置，即插即用，但其圖像分辨率比機(jī)械旋轉(zhuǎn)型的差，在導(dǎo)管周邊還會有超聲盲區(qū)。

商用IVUS換能器中的壓電陣元均采用Pb(ZrTi)O3(PZT)陶瓷，其中心頻率為20～40 MHz，軸向分辨率為70～200 μm，橫向分辨率為200～400 μm，成像深度為5～10 mm，而薄纖維帽的厚度通常小于65 μm[5]。較差的空間分辨率將造成血管和血小板組成的微結(jié)構(gòu)詳細(xì)信息的缺失，臨床檢測需要更高的空間分辨率來評估動脈粥樣硬化斑塊的易損性。

2 血管內(nèi)超聲換能器研究進(jìn)展

2.1 壓電陣元

壓電陣元作為IVUS換能器中最重要的部分，壓電材料性能的優(yōu)劣對換能器而言至關(guān)重要。近年來，Pb(Mg1/3Nb2/3)-PbTiO3(PMN-PT)單晶的研究與制備愈發(fā)成熟[6]。PbIn1/2Nb1/2O3-PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)、PMN-PT以及PZT的性能參數(shù)如表1所示。與PZT陶瓷相比，PMN-PT單晶具有更高的機(jī)電耦合系數(shù)kt、相對介電常數(shù)εr/ε0和壓電常數(shù)d33。PMN-PT單晶的居里溫度TC較低，在換能器制作過程及后續(xù)的高溫滅菌過程中易退極化，導(dǎo)致?lián)Q能器性能下降；而基于PMN-PT材料摻雜制備的PIN-PMN-PT單晶具有較高的TC，溫度依賴性低，制備的換能器性能更穩(wěn)定[7]。

表1 材料性能參數(shù)

由于壓電材料尺寸限制了其在高頻換能器方面的應(yīng)用，因此，壓電薄膜更適用于制備高頻IVUS換能器。Li Xiang等[8]制備了PMN-PT自支撐薄膜，利用該薄膜材料制備的換能器獲得的兔主動脈IVUS圖像如圖2所示。與35 MHz PMN-PT單晶換能器相比，80 MHz PMN-PT薄膜換能器具有更高的空間分辨率(軸向分辨率為35 μm，橫向分辨率為176 μm)，可以清楚地識別兔主動脈的血管壁分層和脂肪組織。

圖2 IVUS換能器獲得的兔主動脈截面

與單一壓電材料相比，壓電復(fù)合材料的性能更優(yōu)越。壓電復(fù)合材料的聲阻抗明顯低于單一壓電材料，可以有效地減少IVUS換能器與組織之間的聲阻抗失配，提高聲能傳輸效率，故制作的IVUS換能器具有更大的頻域帶寬，軸向分辨率得到改善。壓電復(fù)合材料的kt高于單一壓電材料，制作的IVUS換能器具有更高的靈敏度。此外，壓電復(fù)合材料是由較大比例的聚合物(如環(huán)氧樹脂)組成，在高溫下具有較好的柔韌性，易實現(xiàn)幾何聚焦。

在壓電復(fù)合材料中，1-3型壓電復(fù)合材料的潛力巨大，特別適用于醫(yī)學(xué)成像。Jian Xiaohua等[9]制作的50 MHz 1-3型復(fù)合PZT IVUS換能器的kt高達(dá)0.7(PZT陶瓷的kt約為0.5)。Yuan Jian等[10]制作的40 MHz 1-3型復(fù)合PMN-PT IVUS換能器的kt高于0.7，聲阻抗低至約20 MRayl(PZT陶瓷聲阻抗約為36 MRayl)，-6 dB帶寬和靈敏度幾乎是傳統(tǒng)PZT陶瓷IVUS換能器的兩倍。Li Xiang等[11]制備的1-3復(fù)合型PIN-PMN-PT如圖3所示，利用該材料制備的40 MHz IVUS換能器的kt高于0.75，聲阻抗在20～22 MRayl，-6 dB帶寬約為40 MHz PMN-PT單晶換能器的2倍。綜上所述，復(fù)合材料在IVUS超聲換能器中應(yīng)用前景廣闊。

圖3 帶有導(dǎo)電背襯的1-3型復(fù)合PIN-PMN-PT

PZT陶瓷、PMN-PT單晶及其復(fù)合材料均是鉛基壓電材料，而有毒的鉛基壓電材料的應(yīng)用引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染等問題。目前，無鉛材料的研究已取得了很大的進(jìn)展。Yan Xingwei等[12]制備的0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-50BCT)具有良好的壓電性能，其d33為597 pC/N，與PZT陶瓷相當(dāng)，利用該陶瓷制備的30.5 MHz IVUS換能器的kt為0.41。Zhu Benpeng等[13]制備了K0.504Na0.4960.933Li0.067NbO3(KNLN)厚膜，其d33為150 pm/V，利用該厚膜制備的52 MHz IVUS換能器的kt為0.44。由此可以看出，無鉛壓電材料擁有與鉛基壓電材料可比擬的壓電性能，有望代替鉛基壓電材料應(yīng)用于IVUS壓電器件中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 聚焦結(jié)構(gòu)

聚焦IVUS超聲換能器通過將超聲能量集中到一個焦點區(qū)域來提高聲場強(qiáng)度，減少波束寬度，提高IVUS換能器的空間分辨率，可以更有效地描述冠狀動脈的形態(tài)和病理信息。常見的聚焦方式有球壓聚焦(press-focusing technique)和機(jī)械研磨聚焦(mechanical dimpling technique)兩種。兩種聚焦方式都可以減少波束寬度，提升橫向分辨率，但機(jī)械研磨聚焦技術(shù)引起壓電陣元厚度連續(xù)變化，增大了換能器的頻域帶寬，提高了IVUS換能器的軸向分辨率。Lee Junsu等[14]利用press-focusing技術(shù)制備的長方形聚焦IVUS換能器如圖4所示，該設(shè)計有效地提高了IVUS換能器的橫向分辨率。Fei Chunlong等[15]利用mechanical dimpling技術(shù)研制的30 MHz PMN-PT聚焦IVUS換能器如圖5所示，與厚度均勻的平面IVUS換能器相比，該聚焦換能器具有更優(yōu)的頻率帶寬與空間分辨率。

圖4 IVUS換能器的研制

圖5 30 MHz PMN-PT基聚焦IVUS換能器

2.3 多頻換能器

提高IVUS換能器的頻率可以改善IVUS成像的空間分辨率，但高頻超聲在血液和血管組織中具有較強(qiáng)的衰減性，其穿透深度會隨著頻率的增高而降低。多頻換能器通過將低頻、高頻換能器集成在一起，工藝實現(xiàn)難度低,且圖像易配準(zhǔn)，較好地兼顧了空間分辨率與穿透深度。

多頻換能器利用其中的低頻換能器獲取血管壁的整體信息，利用高頻換能器獲取血管壁表面的微結(jié)構(gòu)信息，這種換能器常見的結(jié)構(gòu)為橫排式和背對式。Yoon angpil等[16]制作的橫排式多頻換能器結(jié)構(gòu)如圖6所示。成像時，高頻IVUS換能器在低頻IVUS換能器成像完成時需上移1.5 mm來保證對血管同一截面成像。Ma Teng等[5]制作了背對式多頻換能器，在兩個背對的IVUS換能器之間用環(huán)氧樹脂鍵合一層聚酰亞胺層，以進(jìn)一步隔離電信號。成像后，將其中一個IVUS換能器所成圖像旋轉(zhuǎn)180°,即可實現(xiàn)與另一個IVUS換能器所成圖像的共配準(zhǔn)。

圖6 橫排多頻IVUS換能器結(jié)構(gòu)圖

堆棧式多頻換能器利用其中的低頻換能器發(fā)射穿透深度較深的超聲波，利用高頻換能器接收回波，保證成像的空間分辨率，在IVUS造影成像的應(yīng)用上潛力巨大。Ma Jianguo等[17]設(shè)計了堆棧式多頻換能器，高頻換能器位于低頻換能器之上，其間設(shè)置聲學(xué)濾波器層，在抑制高頻波傳播的同時仍允許低頻波傳播，實現(xiàn)了“低發(fā)高收”。

3 血管內(nèi)超聲換能器發(fā)展趨勢

面對商用PZT陶瓷IVUS換能器存在成像分辨率不足等問題，醫(yī)療檢測需要高空間分辨率(<65 μm)，高穿透深度(>5 mm)、微型化(<0.7 mm)的IVUS換能器來檢測病變血管[16]。PIN-PMN-PT壓電復(fù)合材料(高kt、高d33，高εr/ε0及低聲阻抗)性能優(yōu)異，更適合制作高分辨率、高靈敏度、微型化的IVUS換能器。調(diào)整PIN-PMN-PT制備工藝、摻雜元素的類型及比例，提升PIN-PMN-PT的居里溫度，摻雜PIN-PMN-PT壓電復(fù)合材料有望代替PZT陶瓷成為新一代商用IVUS換能器的壓電材料。

面對IVUS換能器穿透深度和空間分辨率不可兼得的矛盾，一種方案是在較低頻率(40 MHz)IVUS換能器上采用新型匹配層來提升換能器的帶寬，進(jìn)而提高IVUS換能器的軸向分辨率[18]；另一種方案是多頻換能器。此外，在工藝水平允許的情況下，可將IVUS與其他成像方式(如光學(xué)相干斷層掃描(OCT))結(jié)合，既保留了IVUS高穿透深度的特點，又引進(jìn)了OCT高空間分辨率的優(yōu)勢，這種雙模成像模式將成為診斷心血管疾病的重要手段。

考慮到機(jī)械旋轉(zhuǎn)型IVUS導(dǎo)管成像存在偽像，改進(jìn)相控陣型換能器(如提高頻率(商用20 MHz))也將是IVUS換能器的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)束語

從IVUS換能器的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展來看，IVUS換能器壓電材料對陶瓷、單晶、薄膜、復(fù)合材料及無鉛材料均有選用。結(jié)構(gòu)上，聚焦結(jié)構(gòu)提高了IVUS換能器空間分辨率，多頻換能器兼顧了空間分辨率和穿透深度。新型壓電材料的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)的改善依然是IVUS換能器的發(fā)展方向。