血管內超聲換能器的研究現狀與進展

侯 尚,費春龍，楊新宇，孫昕郝，周歧發

(西安電子科技大學 微電子學院，陜西 西安 710071)

0 引言

隨著經濟的飛速發展，人們的物質生活質量不斷提高，心腦血管疾病的患病率呈現上升趨勢。目前，心血管疾病患者人數約2.9億，心血管疾病已成為當代社會發病率、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，動脈粥樣硬化脂質核心的大小和構成及纖維帽內部或鄰近區域的炎癥。易損性斑塊的薄纖維帽位于血管壁表面附近，脂質核通常在動脈壁內沉降，并被薄纖維帽覆蓋[2]。這些與正常動脈壁結構相異的特點，可以通過血管內超聲技術來檢測。

1 血管內超聲(IVUS)換能器研究現狀

IVUS是20世紀80年代末發展起來的介入式超聲成像技術。如圖1所示，IVUS通過心導管將微型化的超聲探頭插入心血管腔內進行探測，再經電子成像系統顯示心血管斷面的形態和血流圖形[3]。在心血管疾病領域，血管造影是確定粥樣硬化血管狹窄位置和程度的常規診斷技術。然而，它不能獲得狹窄血管壁的結構信息來準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、形狀及管壁結構，還可以精確地測量血管腔的截面積，辨認血管壁鈣化、纖維化和脂質核等病變[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系統中常用的IVUS導管有兩種：

1)機械旋轉型。其通過馬達驅動旋轉軸末端的換能器旋轉來獲取回波信號。波科(Boston Scientific)公司的Atlantis SR Pro系列導管及飛利浦火山公司(Philips Volcano)的Revolution系列導管均屬于機械旋轉型。

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

機械旋轉型IVUS導管的缺點是在彎曲血管段旋轉軸與導管內壁易發生摩擦，產生不均勻旋轉，導致圖像變形；而相控陣型IVUS導管的換能器無需驅動和回撤裝置，即插即用，但其圖像分辨率比機械旋轉型的差，在導管周邊還會有超聲盲區。

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構詳細信息的缺失，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 血管內超聲換能器研究進展

2.1 壓電陣元

壓電陣元作為IVUS換能器中最重要的部分，壓電材料性能的優劣對換能器而言至關重要。近年來，Pb(Mg1/3Nb2/3)-PbTiO3(PMN-PT)單晶的研究與制備愈發成熟[6]。PbIn1/2Nb1/2O3-PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)、PMN-PT以及PZT的性能參數如表1所示。與PZT陶瓷相比，PMN-PT單晶具有更高的機電耦合系數kt、相對介電常數εr/ε0和壓電常數d33。PMN-PT單晶的居里溫度TC較低，在換能器制作過程及后續的高溫滅菌過程中易退極化，導致換能器性能下降；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定[7]。

表1 材料性能參數

由于壓電材料尺寸限制了其在高頻換能器方面的應用，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，壓電復合材料的性能更優越。壓電復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，壓電復合材料是由較大比例的聚合物(如環氧樹脂)組成，在高溫下具有較好的柔韌性，易實現幾何聚焦。

在壓電復合材料中，1-3型壓電復合材料的潛力巨大，特別適用于醫學成像。Jian Xiaohua等[9]制作的50 MHz 1-3型復合PZT IVUS換能器的kt高達0.7(PZT陶瓷的kt約為0.5)。Yuan Jian等[10]制作的40 MHz 1-3型復合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PZT陶瓷IVUS換能器的兩倍。Li Xiang等[11]制備的1-3復合型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，復合材料在IVUS超聲換能器中應用前景廣闊。

圖3 帶有導電背襯的1-3型復合PIN-PMN-PT

PZT陶瓷、PMN-PT單晶及其復合材料均是鉛基壓電材料，而有毒的鉛基壓電材料的應用引起了嚴重的環境污染等問題。目前，無鉛材料的研究已取得了很大的進展。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，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用于IVUS壓電器件中，具有廣闊的應用前景。

2.2 聚焦結構

聚焦IVUS超聲換能器通過將超聲能量集中到一個焦點區域來提高聲場強度，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和病理信息。常見的聚焦方式有球壓聚焦(press-focusing technique)和機械研磨聚焦(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，但機械研磨聚焦技術引起壓電陣元厚度連續變化，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技術制備的長方形聚焦IVUS換能器如圖4所示，該設計有效地提高了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，工藝實現難度低,且圖像易配準，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構信息，這種換能器常見的結構為橫排式和背對式。Yoon angpil等[16]制作的橫排式多頻換能器結構如圖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換能器之間用環氧樹脂鍵合一層聚酰亞胺層，以進一步隔離電信號。成像后，將其中一個IVUS換能器所成圖像旋轉180°,即可實現與另一個IVUS換能器所成圖像的共配準。

圖6 橫排多頻IVUS換能器結構圖

堆棧式多頻換能器利用其中的低頻換能器發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造影成像的應用上潛力巨大。Ma Jianguo等[17]設計了堆棧式多頻換能器，高頻換能器位于低頻換能器之上，其間設置聲學濾波器層，在抑制高頻波傳播的同時仍允許低頻波傳播，實現了“低發高收”。

3 血管內超聲換能器發展趨勢

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壓電復合材料(高kt、高d33，高εr/ε0及低聲阻抗)性能優異，更適合制作高分辨率、高靈敏度、微型化的IVUS換能器。調整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(如光學相干斷層掃描(OCT))結合，既保留了IVUS高穿透深度的特點，又引進了OCT高空間分辨率的優勢，這種雙模成像模式將成為診斷心血管疾病的重要手段。

考慮到機械旋轉型IVUS導管成像存在偽像，改進相控陣型換能器(如提高頻率(商用20 MHz))也將是IVUS換能器的發展趨勢。

4 結束語

從IVUS換能器的研究現狀和進展來看，IVUS換能器壓電材料對陶瓷、單晶、薄膜、復合材料及無鉛材料均有選用。結構上，聚焦結構提高了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。新型壓電材料的應用和結構的改善依然是IVUS換能器的發展方向。