血管内超声成像探头的现状与研究进展

赵治 天津中医药大学第一附属医院功能科彩超室 （天津 300193）

内容提要： 曾经作为诊断冠状动脉疾病金标准的冠状动脉造影由于投射角度和血管重叠等原因并不能完全显示出冠状动脉官腔的真实情况。而血管内超声成像技术通过高频超声从血管壁反射回来时间不同在系统电路上处理后形成反映实时血管管壁结构、官腔大小、血管斑块的官腔截面被临床医师所青睐。本文主要介绍血管内超声成像的原理、血管内超声成像探头的发展和现状。

随着改革开放的发展，我国心血疾病的发病率和病死率不断上升，全国约有心血管患者2.9亿之多，研究显示2015年以来心血管疾病已经超越肿瘤等疾病成为城乡居民死亡的首要原因[1]。曾经作为诊断冠状动脉疾病金标准的冠状动脉造影由于投射角度和血管重叠等原因并不能完全显示出冠状动脉官腔的真实情况[2]。血管内超声成像（intravascular ultrasound，IVUS）则是利用有超声探头的特殊导管进行医学成像技术。IVUS采用超声显示技术和多普勒血流测定两个方面显示出血管内部官腔的大小以及管壁表面情况[3]。因此，IVUS已经成为冠心病等心血管疾病重要的影像学诊疗手段。

1. IVUS成像原理

IVUS技术是在特殊的导管（可根据目标血管的不同选择不同频率和直径的超声导管）前段安装超声探头并由专业人士将导管深入血管中，通过探头发射高频超声，根据高频超声从血管壁反射回来时间不同在系统电路上处理后形成血管管壁结构和官腔大小。超声的空间分辨率和对比分辨率共同决定成像系统中图像的质量。空间分辨率又分为轴向分辨率和横向分辨率，主要用于分辨相邻微小目标，一般轴向分辨率为70～200μm，横向分辨率为200～400μm，成像深度5～10mm[4]。对比分辨率是区分不同组织的能力。

IVUS导管一般根据疾病不同选择不同外径的导管，IVUS导管外径一般在0.87～2.97mm之间，频率一般在20～40MHz之间，频率越高穿透性越差[5]。IVUS的导管和成像系统根据设计原理和类型不同可以分为两类：一类是机械旋转型，一类为相控阵型。机械旋转型IVUS是利用动能电机保持1800转/min带动单元转换器旋转，从而完成信号的发出与接收，从而在显示器上形成图像。相控阵型IVUS则是环形排列的阵原，阵原之间规则排列，相邻阵原传感器和接收器分别发出信号和接收信号，并且经过编码系统处理后形成完整的图像。

2. IVUS探头的发展

在60年代初期，Ciesyznsik尝试将探头置于导管上将导管插入狗的血管中得到狗心腔的超声图，这是人类第一次运用超声技术得到血管的超声图。此后血管超声技术快速发展，1971年Born发明了32晶体、3.2mm声控超声探头并第一次得到实时心脏切面超声图像，虽然说得到心脏超声图是二维的，但对于血管超声技术来说意义确实非凡的。CR Meyer于1988年通过和MR图像的比较验证了高分辨力血管成像技术的优势和可行性，至此血管超声技术逐步被专家学者所认可[6]。Boston Scientific公司和Volcano公司是世界上主流的血管内超声生产商。Boston Scientific公司其生产的iLab血管内超声采用40MHz特殊导管、单阵元机械旋转探头以其出色的性能被美国FDA、欧洲CE认可，成为市面上主流的血管内超声仪器。而Volcano公司是一家专门从事血管内超声仪的生产商，其最新的血管内超声仪采用相控阵和机械式两种探头，根据不同的疾病切换不同的探头，深得临床医生的喜爱。

3. IVUS探头的现状

随着电子技术和新型材料的不断发展，IVUS探头材质有发生了较大的改变。目前，IVUS超声探头多采用性价比高、机械强度大的压电陶瓷（PZT）。压电陶瓷主要成分晶相都是具有铁电性的晶粒构成的一类具有压电特性的电子陶瓷材料。但复合材料以其较高的性能——高频、宽带、高分辨率，在逐步的替代传统的压电陶瓷，复合材料成本较高，仅在少数IVUS探头上应用。以微电机系统（MEMS）技术为基础的新型转换器CMUTs（Capacitive Micromachined Ultrasoic Transducers）的问世在推动IVUS的发展。CMUTs除了性能优越外，而且可塑性强能通过光刻技术制作出不同形状。CMUTs由于多个小的电容构成，当外部电压刺激后，产生声波[7]。当通过CMUTs外部直流发生改变后CMUTs转换器的频率也会发生改变，临床工作中利用此原理在血管超声成像中得到高质量的图像[8]。但目前掌握此技术并将此技术运用到IVUS探头上的机构少之又少，目前仅Stanford研究组与美国佐治亚理工学院Georgia Tech研究组。目前3D技术高速发展，实现生动还原真实血管，为临床诊疗提供最精确证据。

4. 结束语

在冠状动脉造影术（CAG）以及血管内超声（IVUS）尚未问世之前，人们仅能从解剖学上了解血管的真实面貌，但不能实时的得到血管内状况，从而对血管病变了解甚少。随着科技的发展，冠状动脉造影术的问世，学者仅能从被造影剂填充的血管看出血管轮廓，对于血管的病变程度未能及时准确的显示。近年来，血管内超声（IVUS）以其独特的优势被临床医师所青睐。IVUS准确反应出实时血管情况，让医生对患者病情有较为清楚的把握，同时IVUS亦能得到定量数据，包括血管直径、狭窄程度、横截面积等，为疾病的研究提供基础保证。新材料不断涌现，也使得血管内超声进行了一场革命。特别是新材料和新技术的融合，IVUS朝着精准细小血管成像的方向发展。