基于内置微型马达的血管内超声（IVUS）导管的设计及研制

发布时间：2020-06-15 01:11

【摘要】：基于导管的血管内超声(Intravascular Ultrasound,IVUS)是一种微创的导管介入技术,能有效评估血管的狭窄程度及其管壁形态。商用的IVUS将细长的超声导管插入冠状动脉,通过机械旋转获取血管壁的剖面图,实现血管壁病变的实时检测。然而,现有的机械式旋转IVUS导管工作方式采用外置马达结合长距离的柔性驱动轴的方式实现对血管壁的圆周扫查。当导管通过长的弯曲血管段时,柔性驱动轴会与导管内壁发生摩擦,造成图像的不均匀旋转扭曲(Non-uniform Rotational Distortion,NURD)。针对这个问题最为有效的方法是使用微型内置马取代外置马达驱动超声换能器或微型反射镜。这种方式避免了长距离的力矩传输,直接将微型马达集成在导管的前端,从理论上消除了驱动轴与导管内壁摩擦造成的不均匀旋转扭曲。在本文中,我们设计并研制了一种基于内置微型马达的血管内超声导管,并对这种超声导管的各个部件进行了研究。研制的新型成像导管的驱动马达,直径为1.2 mm,长度为3.7 mm,能保持稳定的转动状态。为了提高高频换能器的性能,本文使用性能优异的0.5 mm×0.5 mm、厚度为24μm的PMN-PT 1-3复合材料研制高频超声换能器,发射并接收超声波信号。同时,对导管材质做了初步的研究,选取一种对高频超声衰减小的材料作为透声管。为了测试微型马达各方面的性能,使用帧频为400 fps的高速摄像机拍摄马达的瞬时转动情况,并对马达在方波与正弦波两种驱动模式下的性能进行比较分析。结果表明,方波驱动下,其最大转速为167 RPS,转动力矩为1.23μNm,最大负载为0.1 g,最大转动误差为22°,该转动误差会造成较强的图像扭曲。正弦波驱动时,马达的最大转速为275 RPS,转动力矩为2.79μNm,最大转动误差仅7°。因此,正弦波驱动为马达的最佳驱动方式。本文对高频换能器的性能进行了表征,结果显示,换能器的-6 dB带宽为72%,中心频率为34 MHz,中心频率附近的灵敏度为14 dB,回波幅值达到1530 mV。本文完成了微型马达内置型血管内超声导管的集成,将研制的微型马达、换能器、导管等集成在一起,集成后导管直径为2 mm。搭建了基于内置马达的超声成像导管的数据采集平台,完成了成像算法的编写,并使用线靶与离体猪血管对导管的成像性能进行了评估。成像实验结果显示,正弦波驱动情况下,导管能清晰分辨线靶的位置、距离、数量等信息,清晰识别血管的轮廓与结构。通过线靶成像结果求得高频超声换能器的轴向与横向分辨率分别为92μm与135μm,具有较高的分辨率。实验结果表明基于内置微型马达的IVUS导管有望解决现有成像导管在弯曲血管段不均匀旋转而造成图像扭曲的问题。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB559
【图文】：

发病机理,动脉粥样硬化,纤维斑块,斑块

第 1 章绪论.1 动脉粥样硬化随着生活水平的提高与生活作息的不规律，心血管疾病已成为威胁人类生命的高病之一[1]。其中，动脉粥样硬化是心血管疾病中最为常见的一类。人体的动脉血管管内层、血管中层和动脉外膜三层构成。当内膜上形成脂质斑块时，会逐渐发展成质为核心的纤维斑块。若纤维斑块由薄膜构成，易导致斑块破裂，会造成整个动脉变窄或完全堵塞，从而造成动脉粥样硬化[2]，这种斑块称之为易损斑块（Thin-ibroatheroma，TCFA），斑块形成过程由图 1.1 阐述[3]。TCFA 是造成心肌梗死和中风要原因[4]。已有的研究表明薄帽纤维粥样硬化占据了心脏猝死情况的 80%[5]。因何在早期检测出造成冠状动脉粥样硬化的易损斑块，并在临床介入中进行有效的诊估，具有十分重要的意义。

导管,成像,微型马达,血管内超声

基于内置微型马达的血管内超声（IVUS）导管的设计及研制光源波长为 1325 nm，并使用集成导管对多组人体离体动脉血管进行分析，在 IVUS 保证穿透深度的同时，OCT 能识别 70~150 μm 的纤维薄帽[20]；2013 年，加利福利亚大学的 Jiawen Li 等人研制了直径为 0.9 mm，长度为 1.5 mm 的集成 IVUS-OCT 成像导管，采用 PMN-PT 单晶制作了 45 MHz 的超声换能器-6dB 带宽 40%，并对猪的动脉血管做了实时成像，在观察整个血管结构的同时检测到了斑块的位置[21]。

【参考文献】