血管内超声（IVUS）成像是一种用于心血管疾病诊断的介入式影像诊断技术。该技术利用导管将微型超声换能器插入心动脉腔内，在血管内部成像，能够实时显示血管横截面组织分布，可以精确评估血管腔开口、血管壁形态和其他相关的血液和血管特性，在冠状动脉疾病的诊断、治疗指导和治疗后评估中发挥着至关重要的作用。
超声换能器作为IVUS成像系统的关键部件，其性能是影响IVUS成像质量的关键因素。制备IVUS换能器是一项非常复杂且难度较大的工作，换能器的尺寸不足1 mm。同时为了发射高频超声波，实现高分辨率成像，压电材料的厚度要求薄至几十微米，超小尺寸和超薄厚度要求使得IVUS换能器制备极为困难。如何引线实现电连接也是IVUS换能器制备的一大难点，因此开展IVUS换能器的设计与研究具有重要的学术价值和临床意义。
据麦姆斯咨询报道，针对上述难题，桂林理工大学、中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队设计并制备了一种用于IVUS成像的高频超声换能器。与国外同类型超声换能器相比，该研究提出的超声换能器性能良好，能够满足IVUS临床检测需求，未来有望突破关键“瓶颈”技术，实现国产替代。相关研究成果以“用于血管内超声成像的高频换能器研制”为题发表在《声学技术》期刊上。
在这项研究工作中，研究人员选用PZT-5H陶瓷作为压电材料，银粉与Insulcast 502和Insulcure 9混合物作为第一层匹配层，聚对二甲苯（Parylene）作为第二层匹配层，E-solder 3022作为背衬材料，通过Piezo CAD进行仿真优化，进而设计并制备了一种用于IVUS的高频超声换能器，实物图如图1所示。
图1 本研究提出的超声换能器实物图
研究人员对该超声换能器的电学和声学性能进行了测试和表征。测试结果表明，该超声换能器的中心频率为38.9 MHz，−6 dB相对带宽为56.6%，在谐振频率42.3 MHz处的电阻抗为22.6 Ω，在反谐振频率48.2 MHz处的电阻抗为56.5 Ω，有效机电耦合系数为0.48。使用该超声换能器进行线仿体成像实验的结果显示，其纵向分辨率为54 μm，横向分辨率为209 μm。
图2 仿真和实际测试的超声换能器电阻抗和相位角随频率的变化关系
图3 仿真和实际测试的脉冲回波波形及其频谱
图4 超声换能器线仿体成像结果
图5 线仿体的轴向和横向归一化点扩散函数图
研究人员将该超声换能器与其他同类型超声换能器进行了性能对比分析，综合结果表明，该研究提出的基于PZT-5H压电材料的超声换能器能够与其他文献报道压电材料制备的超声换能器相媲美，未来有望进一步突破关键“瓶颈”技术，实现国产替代。
论文信息：
DOI: 10.16300/j.cnki.1000-3630.2024.01.019
