面向心腔内超声和血管内超声的压电换能器功能材料综述
2026-11-01 13:50:40 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文通过对心腔内超声（ICE）和血管内超声（IVUS）换能器中功能材料的对比分析，阐述了二者共有的基本原理与独特技术要求，从而填补了该领域的研究空白。
心腔内超声（ICE）和血管内超声（IVUS）均为先进的医学成像技术，在心血管疾病的诊断与治疗中发挥着重要作用。近些年，已有多篇关于IVUS或ICE成像的综述论文发表。然而，现有的综述主要将IVUS或ICE作为独立技术分别进行研究，对支撑这两种技术的功能材料及技术融合的关注十分有限。具体来说，目前仍缺乏对ICE和IVUS换能器在压电材料、匹配层、背衬材料及制备工艺方面的系统性对比研究。此外，决定这两种成像技术下一代发展的关键趋势（微型化挑战、双频集成策略以及从2D成像向4D成像的转变），尚未在统一的研究框架内得到全面阐述。
据麦姆斯咨询介绍，近期，迈瑞医疗在Sensors期刊上发表了一篇题为“Functional Materials for ICE and IVUS Piezoelectric Transducers: A Review”的综述论文。该综述通过对ICE和IVUS压电换能器中功能材料的对比分析，阐述了二者共有的基本原理与独特技术要求，从而填补了该领域的研究空白。与以往将这两项技术孤立研究的综述不同，该论文系统总结了两种应用场景下压电材料、匹配层、背衬层以及导管鞘材料的选择与优化策略，并重点关注了4D成像、双频融合等新兴趋势对材料性能提出的新要求。通过整合两个领域的材料研究进展，该综述旨在为下一代微型超声换能器的研发提供指导。
ICE和IVUS换能器：典型结构及材料发展趋势
目前，2D心腔内超声（ICE）已发展成熟，而4D（实时3D）ICE代表了未来发展方向，其具备更广阔的成像视野和更高的成像质量，可实现实时3D重建，有助于提升手术操作的精准性与安全性。
图1 典型ICE压电换能器的组成结构及其横截面示意图
与ICE换能器类似，血管内超声（IVUS）换能器可分为机械旋转式和电子相控阵扫描式。前者凭借旋转密封结构适用于小型导管，后者通过固定设计可避免旋转不均匀畸变和轴外误差，并能提供更宽的景深。
图2 微马达驱动的4D ICE简易示意图
随着IVUS技术的不断进步，IVUS换能器的小型化、双频/多频IVUS的组装以及IVUS与光学相干断层扫描（OCT）等其他成像技术的融合，正逐渐成为IVUS发展的重要趋势。
图3 电子相控阵扫描4D ICE换能器的简易示意图
ICE和IVUS换能器从简单的2D成像向复杂的4D实时容积重建及双频成像技术演进，体现了功能集成与小型化的显著趋势。这种复杂性对这两种换能器的所有组成材料都提出了日益严苛的要求。
压电晶体需具备更宽的带宽和更高的机电耦合系数，以实现多频工作和谐波成像，这推动了从传统PZT材料向先进单晶PMN-PT或复合材料的转型。匹配层需要具有精确梯度的声阻抗且衰减率极低，以适配更宽的频率范围，这就需要开发性能可调的纳米复合材料。背衬层面临的挑战是在导管受限的空间内实现充分阻尼同时避免体积过大，这促使了具有优化填料结构的环氧基复合材料的创新。
声透镜必须在多频下实现精准的波束聚焦，同时兼顾导管导航所需要的柔韧性，这需要先进的成型技术以及在动态弯曲下声性能稳定的材料。
此外，用于机械式4D成像的微型马达或用于电子波束控制的相控阵电子元件，还带来了生物相容性封装、热管理以及亚毫米级导管直径下可靠互连等额外的材料难题。
随着双模态设备（IVUS-OCT）和超谐波成像系统的不断涌现，声学、光学和机械功能的融合无疑将推动多功能材料、异质集成工艺和纳米级制造技术的突破，以满足下一代介入式成像严格的性能与安全标准。
该综述全面阐述了ICE和IVUS应用中所使用的功能材料，以及相应的设计原则和组装工艺。同时，简要介绍了近年来该领域的一些代表性研究成果，以为刚进入微换能器工艺领域的人员提供参考。
表1 基于不同压电材料的ICE和IVUS换能器性能对比
微型超声换能器的设计与制造工艺始终需要不断权衡，以在临床性能和制造复杂度之间取得平衡。先进的压电材料，尤其是PIN-PMN-PT单晶和1-3型复合材料，凭借成熟的制造基础设施和经过验证的临床性能，仍是ICE和IVUS换能器的当前主流。
图4 背靠背式双频IVUS换能器示意图
然而，基于MEMS制造技术的微机械超声换能器（MUT）正成为极具潜力的替代方案。未来的发展趋势是两种技术的融合创新，即压电换能器与MEMS技术在不同临床应用中相互补充，而非简单的相互替代。
4D ICE实时3D重建的潜在优化方向
推动4D ICE技术发展的研究方向主要集中在提升成像帧率上。已有研究探索将帧率从每秒30帧提升至60帧，以改善心律失常手术中的实时引导效果。目前正在研究的技术方案包括：应用PIN-PMN-PT单晶1-3型压电复合材料等宽带材料，以缩短信号采集时间；以及集成专用集成电路（ASIC）芯片，实现多通道信号处理以提高数据吞吐量。
热管理仍然是关键的工程限制因素，ASIC芯片的散热需要采用合理的设计和材料，以将心内温度维持在安全的生理范围，这推动了针对热导率超过20 W/(m·K)的陶瓷基热管理解决方案的研究。
集成式IVUS-OCT导管
集成式IVUS-OCT系统旨在将IVUS获取的血管壁结构信息与OCT实现的斑块微结构表征相结合，据报道IVUS的空间分辨率约为2 mm，OCT的空间分辨率约为10 μm。在技术实现方面，已有研究采用同轴导管设计，将IVUS换能器与周围的OCT光纤束集成，使导管直径达到3.5 Fr。
图像共配准技术已实现低于0.1 mm的配准误差，能够利用IVUS和OCT的互补优势，分别对钙化斑块和脂质核心进行评估。不过，OCT成像对血液干扰较为敏感，需要持续进行生理盐水冲洗，这相较于独立式IVUS导管，增加了操作复杂度，也提高了耗材成本。
总结与展望
该综述全面讨论了ICE和IVUS换能器中所使用的功能材料与组装技术，首先介绍了ICE和IVUS的原理及应用，阐明了它们相较于其他成像方式的优势，随后深入探讨了换能器的材料与组装工艺，梳理了近年来该领域各研究方向的主流趋势与研究进展。
人口趋势（包括人口老龄化）与ICE和IVUS技术的临床应用需求密切相关。随着介入心脏病学的发展，4D（实时3D）成像技术的应用日益广泛，市场分析显示容积成像导管的渗透率正不断提高。同时，ICE和IVUS正逐步与其他互补诊断技术融合，包括OCT、血流储备分数（FFR）测量、电生理标测和手术机器人系统等，以提高诊断的全面性和手术效率。
这些发展对材料提出了不断变化的要求，包括增强的热机械稳定性、更高的机电转换效率以及小型化设计，以适配亚毫米级的多腔导管结构。无疑，这一过程将给导管的设计和制造工艺带来重大挑战。
此外，随着新型生物相容性材料、匹配层以及背衬材料的发展，这些创新不仅能实现更优异的电学和声学性能，还能降低键合与切割成本，为超声换能器打造更理想的设计。随着MEMS技术的持续进步，超声换能器的制造工艺将不断优化，推动ICE和IVUS成像技术迈向新台阶。
论文链接：https://doi.org/10.3390/s26072143
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