内置马达式自旋转血管内超声诊断导管的设计与实现

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心血管疾病占我国居民疾病死亡构成的40%以上,为我国居民的首位死因。最新统计数据显示,2016年中国农村居民心血管病死亡率为309.33/10万,城市居民心血管病死亡率为265.11/10万。因此对于心血管疾病的检测刻不容缓。血管内超声(Intracascular Ultrasound,IVUS)是目前临床上常用的诊断心血管疾病的手段,这种技术能够完整的获取血管横断面图像,提供给医生详细的斑块和血管壁结构信息。商用的IVUS导管主要分为电子扫描式和机械旋转式两种结构。机械旋转式IVUS导管,因其制作相对简单,频率高,采集获得的图像分辨率高于电子扫描式IVUS导管,而得到了广泛的研究。现有的商用的机械旋转式IVUS导管,使用外置电机驱动,通过长的柔性驱动轴带动置于导管顶端的换能器旋转,实现血管内扫查成像。当导管穿过长的弯曲的血管段时,柔性驱动轴容易与导管内壁产生摩擦,导致换能器的旋转不稳定,从而造成图像的扭曲(Non-uniform Rotational Distortion,NURD)。针对这个问题,最有效的解决方式是使用一个内置马达直接驱动换能器或者反射镜旋转来代替外置马达驱动,从而减少甚至消除因柔性驱动轴与导管壁之间的摩擦造成的图像扭曲。但是现有内置马达式IVUS导管的研究,均在导管前端集成一个具有一定角度的反射镜,来改变声束的方向,并通过内置微型马达驱动反射镜旋转达到扫查的目的。在导管前端集成一个反射镜,这不仅会增加集成难度,还会增加导管前端不可弯折部分的尺寸,增加导管通过弯曲血管段的难度。本文设计并研制了一种内置马达式自旋转血管内超声诊断导管,从整体结构上进行了创新,改变原有直接用导线连接换能器的方式。使用导电液体作为中间连接的导体,使得内置马达在驱动换能器旋转的同时还能作为中间导体传递换能器的信号来驱动换能器发射超声波。为了提高导管的成像性能,并且满足血管内超声成像的标准,采用厚度为24μm的PMN-PT 1-3单晶复合材料作为换能器的压电材料,并对实验室现有的微型电磁马达,外径1.2 mm,长度3.7 mm,最大转速275 RPS,转动力矩2.79μNm,进行了优化改进,在满足微型马达内置于导管前端驱动换能器旋转的同时还能实现血管内壁扫查的需求。本文将微型马达和高频超声换能器直接集成于IVUS导管前端完成了导管的集成,并填充氯化钠溶液作为导电液体和声耦合剂。集成后的导管外径尺寸为2 mm。接着对集成后的导管进行了性能表征,结果显示,导管的-6 dB带宽为98%,中心频率为47 MHz。最后,搭建了基于LabView的数据采集平台,编写成像算法,制作钨丝线靶。用钨丝线靶和离体猪动脉血管对导管的成像性能进行了评估。成像结果显示,导管能够清晰的显示出线靶的位置与数量,并且能够分辨出血管的轮廓和厚度。通过对线靶成像结果的分析计算,得到集成后IVUS诊断导管的轴向和横向分辨率分别为35μm和180μm。实验结果表明,使用氯化钠溶液作为导电液体和声耦合剂IVUS诊断导管,能够用于检测血管疾病。有望解决现有外置马达式IVUS诊断导管存在的图像扭曲问题,并解决内置马达式IVUS诊断导管前端不可弯折部分尺寸大的问题。
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