IVPA成像导管：一种新型医疗器械

根据在血管腔内的工作模式可将IVPA成像导管分为旋转型和非旋转型两类。前者一般用单元式换能器接收光声信号，需要通过导管近端的电动机驱动导管做360°旋转来获取一帧血管横截面图像；后者一般用电子阵列式换能器接收光声信号，换能器呈环形置于导管顶端，激光可对组织进行全方位的照射，不需对导管进行旋转，电子阵列式换能器就可同时接收360°方向的光声信号^［51］。下面分别介绍两种类型的IVPA成像导管的研究现状。

（1）旋转型导管

Wang等^［52］将侧射光纤（side-fire optical fiber）和一个40MHz的IVUS成像导管紧固在一个热缩管内制成IVUS／IVPA集成导管。其中，侧射光纤由直径600μm的光纤制成，将光纤头打磨并密封在一个石英管内，石英管两端用环氧树脂密封以使光纤头周围形成一个封闭的空间，使从光纤头射出的激光以所需的角度（当导管浸入水中时，射出的激光方向与光纤轴呈60°～70°）照射在血管壁内表面上，IVUS导管中的超声换能器检测超声／光声信号。在实验中对内含石墨颗粒内容物的聚乙烯醇血管模型成像，将模型旋转360°以获得一帧横截面图像；对内含模拟新生血管螺旋形内容物的血管模型进行三维成像，结果显示集成导管可对粥样硬化动脉进行IVUS／IVPA组合成像和三维成像，其成像深度约为10mm。

Krista等^［53］将侧射光纤与一个30MHz的单元式超声换能器组合制成外径1.25mm的IVUS／IVPA集成导管，使用4μm厚的银箔对超声换能器进行光绝缘，目的是消除IVPA成像中由换能器产生的环晕伪影。但是在将集成导管做360°旋转时，由于换能器不完全的光隔离，在IVPA图像中仍然会有环晕伪影。

文献［29］中开发了外径1.1mm的IVUS／IVPA集成导管，该导管由多个光学和声学元件组装在一个不锈钢管壳内制成，单模光纤、用于聚焦激光的梯度折射率透镜与用于将聚焦的激光束反射到血管壁内表面的微棱镜被固定并密封在一个聚酰亚胺管内，在管的末端开孔用以透光，中心频率40MHz的超声换能器与上述光学元件依次排列用以发射超声波和检测超声／光声信号。他们对血管模型和支架的成像结果显示采用该集成导管可进行高分辨率（横向分辨率约为19.6μm）的IVUS／IVPA成像。(www.xing528.com)

（2）非旋转型导管

Hsieh等^［54］开发了一种由单晶环形换能器、多模光纤和一个光学聚合微环共振器构成的外径3mm的集成扫描头。其中环形换能器用于360°超声波传输，光纤通过锥型微控制镜提供360°光照，微环共振器可同时从360°方向检测超声／光声信号^［55］。微环共振器具有体积小（一般为10μm～100μm）、高带宽和高信噪比的特点，且易于制作，不需要复杂的后端电路。为了使扫描头进一步小型化，该研究组又开发了一种使用二向色滤光片的全光学换能器^{［56，57］}，它由一个在两种成像模式之间切换的二向色滤光片、一个用于产生超声波的薄膜和一个用于声学检测的微环共振器构成。光源为双波长激光系统，当波长为532nm时，滤光片吸收激光并照射在薄膜上，由于光声效应产生超声波，用于IVUS成像；当波长为750 nm时，滤光片使激光完全通过并直接照射在成像目标上用于IVPA成像。光声信号和超声信号都可以被微环共振器接收，因而整个扫描头是全光学的，这样通过变换激光波长，就可以在IVUS／IVPA成像模式之间进行切换，使成像扫描头的结构简化和小型化。他们还对用合成孔径聚焦技术（Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT）处理前后图像的成像效果进行了对比，SAFT使图像对比度提高了5dB，说明SAFT可提高图像的分辨率和对比度。

上述两种类型的成像导管都有其自身局限，旋转型导管使用单元式换能器，可使系统频率达到60MHz，但由于光源的脉冲重复频率低（一般为几十赫兹），很难实现实时成像，而且由于需要机械旋转，其故障率较高，且易产生运动伪影；基于阵列换能器的成像导管通过使用SAFT可以提供几乎实时的成像，由于不需对导管进行旋转，可使图像的帧率与激光脉冲重复频率一致，使成像帧频提高，缩减获取数据的时间，降低临床应用中血液结块的风险，且可避免由于导管转动产生的运动伪影，然而，该类导管目前局限于64阵元且系统最大频率仅为20～25MHz。此外，血管内光声成像导管的直径一般要求小于1mm，由于制作工艺的限制，此类导管的尺寸很难满足要求，这严重影响了非旋转型导管在实验研究和临床中的应用^［58］。

临床应用中要求IVPA导管具有高带宽、高频、微型和高灵敏度等特性，然而传统压电换能器的设计和制作工艺均已无法满足导管微型化、集成精密化的发展趋势。对于旋转型导管，可通过利用小脉冲能量激发光声信号从而使用更高重复频率的激光器以提高成像速度^［29］；对于非旋转型导管，除了光学聚合微环共振器^［54］之外，将可在单个硅晶片上制作多个阵列的高带宽、高灵敏度电容式微加工换能器（capacitive Micromachined Ultrasonic Trans-ducers，cMUT）应用于IVPA导管作为今后发展的方向^{［58，59］}。