呂圣苗 王振常 蔡 杰 任 東 邵小虎 曹 菲商淑靜 龔小競 宋 亮*

1(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)

2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

3(深圳北芯生命科技股份有限公司 深圳 518100)

1 引 言

在過去二十年里，心血管疾病一直是全球首要死因。根據(jù)世界衛(wèi)生組織提供的數(shù)據(jù)，2016年，全球約有 1 790 萬人死于心血管疾病，占全球死亡總數(shù)的 31%[1]。而冠狀動脈粥樣硬化是引發(fā)心臟冠脈疾病、心肌梗塞和中風(fēng)等諸多心血管疾病的重要因素[2]。不能有效識別動脈粥樣硬化斑塊是治療冠狀動脈粥樣硬化主要的臨床問題之一[3]。目前，冠脈造影和冠脈計算機層析掃描(Computed Tomography，CT)是評估冠狀動脈疾病和指導(dǎo)冠狀動脈介入治療的主要手段[4]。然而，冠脈造影和冠脈 CT 只能對血管管腔狹窄度進行粗略評估，無法獲得血管壁和斑塊的特征信息[5-6]，在評估冠狀動脈粥樣硬化斑塊進展和破裂風(fēng)險方面有很大局限性。為解決該問題，血管內(nèi)成像被引入，以期能全面識別動脈粥樣硬化斑塊的結(jié)構(gòu)和組成[7-8]。但迄今為止，血管內(nèi)超聲成像(Intravascular Ultrasound Imaging，IVUS)仍然是冠狀動脈評估中較好的成像方法之一[7,9-10]。IVUS 可以實時獲得血管壁的橫截面圖像，具有足夠的分辨率和穿透深度，能夠提供有關(guān)斑塊形態(tài)、血管各層膜結(jié)構(gòu)、管腔面積、鈣化范圍和深度等眾多有價值的信息，可供臨床詳細評估動脈粥樣硬化斑塊特征及指導(dǎo)支架植入[11-12]。

目前，已獲批在臨床使用的 IVUS 成像系統(tǒng)主要由 Boston Scientific、Philip (Volcano)、Terumo、Infraredx、ACIST 等國外公司生產(chǎn)。其主流產(chǎn)品的換能器中心頻率集中在 20～40 MHz之間，可以提供 40～200 μm 的軸向分辨率和200～400 μm 的橫向分辨率[13-16]，但已不能滿足臨床診斷日益提高的需求。為提高臨床診斷的準確度，除需要觀察斑塊和血管整體結(jié)構(gòu)，還需要獲取斑塊的精細形態(tài)特征，如纖維帽的厚度(通常小于 65 μm)[17-18]，即需要進一步提高 IVUS成像系統(tǒng)的軸向分辨率。針對這一現(xiàn)狀，相關(guān)學(xué)者展開了大量研究。提高 IVUS 系統(tǒng)成像分辨率最直接的方式就是提高換能器的頻率。Zhou課題組[19]利用鈮酸鋰(LiNbO3)開發(fā)了超高頻100 MHz 單晶體換能器，該換能器的軸向分辨率和橫向分辨率分別達到了 15.4 μm 和 16.4 μm。但隨著頻率的提高，超聲衰減系數(shù)不斷增大，導(dǎo)致穿透深度不斷下降。當(dāng)頻率達到 80 MHz 時，超聲在血管中的穿透深度只有 2～3 mm[20-21]，難以滿足臨床應(yīng)用的實際需求(通常需要穿透深度達到 5 mm[7,22])，嚴重限制了超高頻換能器在IVUS 成像中的應(yīng)用。另一種提高 IVUS 成像分辨率的方式是提高換能器的帶寬，該方式可以將換能器的中心頻率保持在一個相對較低的頻率，因此，可以在不犧牲穿透深度的情況下提高成像分辨率[7]。Ma 等[23]設(shè)計了一種使用 3 層匹配層增大換能器帶寬的方法，該換能器中心頻率為45 MHz，其 6 dB 帶寬達到了 61%，軸向分辨率和橫向分辨率分別為 41.6 μm 和 214.7 μm。該方式雖然增大了帶寬，但匹配層的增多使得超聲損耗增大，進而降低了換能器的靈敏度。使用壓電復(fù)合材料也是一種增大換能器帶寬的方法。與單晶體壓電材料相比，壓電復(fù)合材料具有較高的機電耦合系數(shù)，因此，其相對帶寬較大(80%～120%)[24-26]。然而，壓電復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜，成本較高，在臨床中難以大規(guī)模應(yīng)用[27-28]。因此，面向臨床應(yīng)用的 IVUS 換能器的設(shè)計在考慮加工難度的前提下，還需要根據(jù)實際需求，優(yōu)化和提升其性能參數(shù)組合。

根據(jù)冠脈成像實際需求，綜合考慮成像分辨率和成像深度，本文設(shè)計了一種中心頻率為60 MHz 的高頻換能器?；谠摀Q能器制備了成像導(dǎo)管，并分別對測試樣品和活體健康巴馬小型豬心臟冠狀動脈進行了成像。成像結(jié)果顯示，與商用 IVUS 換能器相比，該換能器既可以顯著提高成像分辨率，又可以保證冠脈成像所需的穿透深度。

2 材料與方法

2.1 換能器仿真設(shè)計

換能器尺寸受到多方面約束。目前，商用 IVUS 導(dǎo)管的尺寸主要集中在 2.6～3.5 Fr(0.87～1.17 mm)[7]，其大小決定了換能器尺寸的上界。此外，考慮到裝配預(yù)留空間以及尺寸對阻抗匹配和加工難度的影響，初步確定換能器的有效孔徑尺寸為 0.5 mm×0.6 mm。

換能器的軸向分辨率主要受頻率和帶寬的影響，利用公式(1)[20]進行估算：

其中，Raxial為軸向分辨率；c為生物組織中的聲速；fC為換能器中心頻率；BW為 6 dB 帶寬。設(shè)聲速為 1 540 m/s，帶寬為 50%，軸向分辨率與換能器中心頻率之間的關(guān)系，如圖 1(a)中紅色虛線所示。由該曲線可知，若需要分辨率高于30 μm(可滿足厚度為 60 μm 纖維帽的最低成像要求)，那么換能器的中心頻率應(yīng)大于 51 MHz。

分辨率和穿透深度是兩個相互矛盾的參數(shù)，提高換能器頻率可提高分辨率，但會加大組織對超聲波的衰減，導(dǎo)致穿透深度降低[29]。為保證換能器達到冠脈成像所需的穿透深度(通常穿透深度要達到 5 mm)，本文利用 Scorza 等[30]的方法對換能器的穿透深度進行了仿真。在該方法中，穿透深度(或稱最大可視化深度)被定義為能夠區(qū)分回波信號和噪聲的最大深度。假設(shè)生物組織的散射系數(shù)恒定，那么換能器的穿透深度和中心頻率之間的關(guān)系滿足公式(2)：

其中，z為穿透深度；μ為衰減系數(shù)，在仿真中根據(jù) GB 9706.9—2008/IEC 60601-1-37:2001 中軟組織衰減系數(shù)典型值確定衰減系數(shù)，其值為0.7 dB·cm-1·MHz-1，即 0.080 6 NP·cm-1·MHz-1；fC為換能器中心頻率；n為與介質(zhì)吸收有關(guān)的因子，在軟組織中一般近似取n＝1；V0為穿透深度為 0 時的回波電壓幅值；η為穿透深度為 0 時的噪聲幅值；α為系統(tǒng)靈敏度最大值和最小值的比值。當(dāng)V0＝1 000 mV、η＝20 mV、α＝0.2 時，穿透深度隨頻率變化曲線如圖 1(a)中藍色實線所示。根據(jù)這一曲線可知，若穿透深度要達到5 mm，那么換能器的中心頻率應(yīng)小于 66 MHz。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，若需同時滿足分辨率和穿透深度要求，那么換能器的頻率范圍為51～66 MHz，如圖 1(a)中綠色標(biāo)識區(qū)域所示。為盡可能提高分辨率，同時保留一定仿真余量，確定換能器中心頻率的設(shè)計目標(biāo)為 60 MHz。

基于 KLM 等效電路模型，利用 PiezoCAD(Sonic Concepts, Inc.，USA)軟件，仿真確定換能器壓電晶體層參數(shù)。換能器所用壓電晶體為 PZT-5H，厚度為 30 μm。

利用 PiezoCAD 仿真所得脈沖回波波形及其頻譜如圖 1(b)所示，其中心頻率為 62.2 MHz，帶寬為 54.6%。由公式(1)計算可得，換能器軸向分辨率為 22.67 μm。基于此參數(shù)制作的換能器如圖 2 所示。

圖1 換能器仿真結(jié)果Fig. 1 Simulation results of the transducer

圖2 制作完成的超聲換能器Fig. 2 Photograph of the fabricated transducer

2.2 換能器性能測試方法

2.2.1 脈沖回波測試

本文進行了脈沖回波測試，以獲得換能器的脈沖響應(yīng)特性。將制作好的換能器和被測鋼靶置于水中，利用尖峰電脈沖激勵換能器，產(chǎn)生的超聲打到鋼靶后反射回來，并被換能器接收。所用換能器激勵脈沖重復(fù)頻率為 500 Hz，單脈沖能量為 2.5 μJ。當(dāng)換能器接收超聲回波后，產(chǎn)生的電信號首先經(jīng)過增益為 0 dB 的放大器，然后被模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)字化。所用模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化位數(shù)為 8 bit，采樣率為 4 GSa/s。

2.2.2 空間分辨率測試

為方便橫向分辨率對比測試，將本文 60 MHz換能器和商用 40 MHz 換能器(02-6F40-01，Insight Lifetech Co., Ltd.)封裝在 IVUS 導(dǎo)管中，通過對細鎢絲成像，獲得系統(tǒng)的點擴散函數(shù)，以此評估系統(tǒng)的橫向分辨率。成像所用鎢絲直徑為10 μm，與導(dǎo)管平行放置，距離導(dǎo)管中心為 2 mm。在運動機構(gòu)的帶動下，導(dǎo)管做旋轉(zhuǎn)掃描運動，每次旋轉(zhuǎn)采集 512 條 A-Line 數(shù)據(jù)。換能器激勵和采樣參數(shù)與脈沖回波所用參數(shù)相同。由于理論縱向分辨率較小，為方便測量縱向分辨率，本文以超聲脈沖回波的半高全寬作為縱向分辨率[31-35]。脈沖回波測試裝置和參數(shù)均與 2.2.1 節(jié)相同。

2.2.3 穿透深度測試

中心頻率的提高會造成穿透深度的降低。為驗證本文換能器的穿透深度能夠滿足實際需求，本文進行了穿透深度實驗。按照 GB 9706.9—2008/IEC 60601-1-37:2001 的要求制作了仿組織材料(Tissue Mimicking Material，TMM)，其超聲傳播速度、反射、散射、衰減特性均與人體軟組織相近，適合用于超聲性能的驗證實驗。將本文換能器裝配的 IVUS 導(dǎo)管和商用 40 MHz 換能器 (OPTICROSS，Boston Scientific Corporation)裝配的 IVUS 導(dǎo)管插入 TMM 中進行回撤掃描，獲得 TMM 仿體的超聲圖像。TMM 仿體和導(dǎo)管之間用去離子水作為耦合劑。回撤掃描時每隔0.2 mm 掃描一張 B-Scan 圖像，每個導(dǎo)管各采集100 張 B-Scan 圖像。

2.3 大動物活體成像實驗

為測試本文設(shè)計的換能器在血管內(nèi)實際成像效果，本文進行了雄性健康巴馬小型豬的心臟冠脈活體實驗，所有動物實驗操作均按照深圳市領(lǐng)先動物實驗服務(wù)中心實驗動物管理和使用委員會批準的方案進行(倫理編號 AAS180416P)。在進行手術(shù)前兩日，每日給小型豬服用 75 mg 氯吡格雷和 100 mg 阿司匹林以抗凝，預(yù)防介入手術(shù)時產(chǎn)生血栓栓塞。介入手術(shù)前，給實驗豬肌肉注射舒泰 50(15～25 mg/kg)，待其鎮(zhèn)靜后，在耳緣靜脈建立靜脈通道，注射 6 mg/kg 的丙泊酚、0.5%～2% 異氟烷維持麻醉。同時，在小型豬的靜脈內(nèi)緩慢滴注硝酸甘油生理鹽水，以預(yù)防術(shù)中血管痙攣。利用改良 Seldinger 穿刺法進行股動脈穿刺，穿刺成功后置入血管鞘、指引導(dǎo)管和指引導(dǎo)絲，結(jié)合冠狀動脈造影，確定導(dǎo)管位置和冠狀動脈血管情況。術(shù)中需要追加肝素鈉以進一步防止凝血。動物實驗中分別測試了商用 40 MHz換能器(02-6F40-01，Insight Lifetech Co., Ltd.)和本文 60 MHz 換能器。所用成像系統(tǒng)為商用超聲成像主機(VH-60，Insight Lifetech Co., Ltd.)，每個 B-Scan 包含 512 A-Line，幀率為 30 fps。為保證成像導(dǎo)管具有良好的推送性和柔韌性，本文采用特殊設(shè)計的變徑導(dǎo)管，該導(dǎo)管具有 4 個等差漸變臺階，其成像窗處直徑為 0.87 mm，導(dǎo)管末端最粗為 1.15 mm，整個導(dǎo)管有效工作長度為135 cm。

3 實驗與結(jié)果

3.1 性能測試結(jié)果

換能器脈沖回波實測結(jié)果如圖 3 所示，對所獲的脈沖回波時域數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換可得信號頻譜。中心頻率和帶寬由下式[23]計算可得：

圖3 換能器脈沖回波實測結(jié)果Fig. 3 Pulse-echo performance of the transducer

其中，fl,fh分別為頻譜幅值最大值 50%(-6 dB)處對應(yīng)的頻率下界和上界。根據(jù)公式(3)和公式(4)計算可知，換能器的中心頻率為 57.25 MHz，帶寬為 52%。

鎢絲成像結(jié)果如圖 4(a)和圖 4(b)所示，取圖 4(a)和圖 4(b)中紅色虛線處的數(shù)據(jù)做高斯擬合，以擬合曲線的半高寬作為橫向分辨率。如圖 4(c)和圖 4(d)所示，本文設(shè)計的 60 MHz 換能器的橫向分辨率為 146.99 μm，而商用 40 MHz 換能器的橫向分辨率為 211.9 μm。圖 4(e)和圖 4(f)中黑色虛線是脈沖回波實驗中鋼靶的回波信號。利用希爾伯特變換獲得回波信號包絡(luò)，并對該包絡(luò)信號做高斯擬合，以擬合曲線的半高全寬作為縱向分辨率。擬合結(jié)果如圖 4(e)和圖 4(f)中紅色實線所示，本文設(shè)計的 60 MHz 換能器的縱向分辨率為 28.42 μm，而商用 40 MHz 換能器縱向分辨率為 42.7 μm。

圖4 分辨率測試結(jié)果Fig. 4 Resolution measurement of the transducer

圖 5 為兩種換能器的穿透深度測試結(jié)果，其中，圖 5(a)和圖 5(b)分別是商用 40 MHz 換能器和本文 60 MHz 換能器對 TMM 仿體組織成像結(jié)果。為更準確地量化兩種換能器的成像深度，本文采用 Qiu 等[36]的方法對換能器成像深度進行比較。首先統(tǒng)計 100 張 B-Scan 圖像中相同位置(紅線處)處的 A-Line 數(shù)據(jù)，取其平均值。由于水的超聲回波信號很弱，以噪聲為主。因此，可將 TMM 仿體和導(dǎo)管之間水的超聲回波信號作為參考基準，并歸一化為 0 dB，動態(tài)范圍均設(shè)置為 0～45 dB。處理后的數(shù)據(jù)如圖 5(c)所示，由圖 5(c)可知，本文 60 MHz 換能器和商用 40 MHz換能器的成像深度分別為 5.21 mm 和 7.4 mm。

圖5 換能器穿透深度測試結(jié)果Fig. 5 Transducer penetration depth test results

3.2 活體成像實驗結(jié)果

圖 6 為豬心冠脈活體成像結(jié)果，由圖 6 可知，60 MHz 換能器獲得的圖像結(jié)果更清晰。對比圖 6(a)和圖 6(c)中紅色箭頭標(biāo)注的血管中膜內(nèi)層可知，高頻高分辨率下血管腔邊界更清晰；此外，對比圖 6(b)和圖 6(d)中黃色箭頭標(biāo)注的血管支架的支架梁可知，本文設(shè)計的 60 MHz 換能器能更精細地分辨支架梁。高分辨率的換能器對支架植入的指導(dǎo)作用大有幫助，如針對支架擴張不良、支架異位、支架斷裂等問題可提供更精細的指導(dǎo)優(yōu)化。

圖6 豬心冠脈活體成像結(jié)果Fig. 6 In vivo imaging of swine coronary artery

4 討論與分析

IVUS 作為一種診斷動脈粥樣硬化斑塊的工具，由于其安全、高效和操作簡便，在臨床應(yīng)用中得到了快速發(fā)展。其具有較大的成像深度，可以獲得完整的斑塊和血管壁的整體結(jié)構(gòu)，但目前臨床中應(yīng)用的 IVUS 成像分辨率較低，獲取一些斑塊的關(guān)鍵精細形態(tài)特征受限。如何在提高IVUS 成像系統(tǒng)的分辨率的同時，保證其穿透深度仍滿足冠脈成像需求，是目前臨床和工程界關(guān)注的熱點問題之一。

IVUS 成像系統(tǒng)的分辨率和穿透深度受多種因素影響，并在一定程度上相互制約。由公式(1)和公式(2)可知，軸向分辨率主要受換能器的中心頻率和帶寬影響，穿透深度則與組織的衰減系數(shù)、超聲頻率、系統(tǒng)的噪聲和靈敏度等諸多因素有關(guān)。由圖 1 可知，換能器中心頻率是一個關(guān)鍵因素，可以同時影響分辨率和穿透深度。結(jié)合模擬仿真，本文規(guī)劃出一個滿足臨床需求的適用中心頻率帶(51～66 MHz，見圖 1 中綠色頻帶區(qū)域)。綜合考慮設(shè)計、加工難度，在該適用頻率帶中，本文選擇 60 MHz 為工作中心頻率，并以此頻率完成了換能器的仿真設(shè)計和制作加工。此外，本文還對該 60 MHz換能器進行了測試，由測試結(jié)果可知，該換能器實際中心頻率為 57.25 MHz，與本文的設(shè)計值相近。由性能測試對比結(jié)果可知，40 MHz的商用換能器的橫向分辨率和縱向分辨率分別為 211.9 μm 和 42.7 μm；而本文所設(shè)計換能器的橫向分辨率和縱向分辨率明顯提高，達到146.99 μm 和 28.42 μm，該分辨率對于評估纖維帽厚度具有較大優(yōu)勢。成像深度的測試實驗結(jié)果表明，商用換能器的穿透深度為 7.4 mm，而本文換能器的穿透深度為 5.21 mm，雖然低于40 MHz 換能器，但依然完全滿足評估動脈粥樣硬化所需穿透深度的需求(大于 5 mm)。為進一步驗證換能器在臨床中的實際表現(xiàn)，本文還進行了大動物活體實驗。實驗結(jié)果表明，在穿透深度方面，不論是商用換能器還是本文換能器，都可以完整地獲得整個血管壁的結(jié)構(gòu)；在分辨率方面，與商業(yè)換能器相比，本文換能器由于分辨率提升，具有更強的細微形態(tài)特征捕獲能力，能夠更清晰地看到血管中膜內(nèi)層邊界和血管支架結(jié)構(gòu)。綜上所述，本文換能器具有臨床實用價值。

本文通過調(diào)整換能器中心頻率，以滿足血管內(nèi)成像對分辨率和成像深度的要求，對于分辨率和成像深度之間的矛盾關(guān)系，也可通過維持中心頻率提高帶寬的方式進行緩解，如第 1 節(jié)中所述的多層匹配層工藝和壓電復(fù)合材料都可用來增大換能器帶寬，可合理采用多層匹配層設(shè)計，將換能器帶寬提高至 61%[23]，也可采用壓電復(fù)合材料將帶寬提高至 80%～120%[24-26]。本文換能器采用傳統(tǒng) PZT 單晶體壓電材料，其帶寬僅為 52%。由公式(1)和公式(2)可知，增大換能器帶寬可以提高軸向分辨率而不影響穿透深度，如果將這些技術(shù)與本文設(shè)計的換能器相結(jié)合，就可在不影響穿透深度的前提下，進一步提高軸向分辨率。但其涉及換能器結(jié)構(gòu)的改變，需要新的加工設(shè)備和加工工藝，對于臨床轉(zhuǎn)化和大規(guī)模生產(chǎn)而言，此類技術(shù)暫時還不夠成熟。本文方法則直接利用現(xiàn)有加工設(shè)備和成熟工藝，在產(chǎn)業(yè)化和臨床推廣過程中更具優(yōu)勢。在未來技術(shù)成熟的條件下，可以將中心頻率的優(yōu)化和帶寬的增加相結(jié)合，進一步提升超聲的綜合性能，拓展其在血管內(nèi)或其他場景中的應(yīng)用能力。

5 結(jié) 論

本文從血管內(nèi)成像的應(yīng)用場景需求出發(fā)，首先進行理論仿真，并指導(dǎo)換能器進行優(yōu)化設(shè)計，然后進行了換能器制備、性能測試、活體驗證等工作。通過綜合考慮冠脈成像對換能器的中心頻率、尺寸、成像深度等要求，結(jié)合仿真優(yōu)化設(shè)計，制作了中心頻率為 57.25 MHz 微型高頻換能器，其有效孔徑尺寸為 0.5 mm×0.6 mm，縱向分辨率為 28.42 μm，橫向分辨率為 146.99 μm。與商用換能器相比，該換能器的分辨率明顯提升，在組織仿體內(nèi)穿透深度為 5.21 mm，能夠?qū)诿}進行完整評估?；谠摀Q能器，本文還制備了高頻 IVUS 成像導(dǎo)管，進行了大動物心臟冠脈的活體實驗，實驗結(jié)果顯示，該高頻 IVUS 成像導(dǎo)管不僅可以看到冠脈的完整結(jié)構(gòu)，而且與商用換能器相比，可以看到更多組織的細節(jié)信息。綜上所述，本文通過優(yōu)化換能器的中心頻率，設(shè)計并制備了一種滿足臨床要求的微型高頻換能器，可提升血管內(nèi)成像效果；且其可直接利用現(xiàn)有加工設(shè)備和成熟工藝，在臨床應(yīng)用和轉(zhuǎn)化中具有優(yōu)勢。