血管内超声辐射力脉冲成像探头关键技术研究

Coronary heart disease (CHD) is a major cause of death. The underlying cause of CHD is atherosclerosis plaque ruptures, which triggers the formation of a thrombus that can lead to rapid luminal obstruction and downstream ischemia. Coronary angiography and intravascular ultrasound (IVUS), considered as the current gold standards for the diagnostic of CHD, have been widely used in clinical applications. However, these modalities cannot identify vulnerable plaques, which is paramount to the early diagnostic and prevention of CHD. In order to assess plaques rupture risk accurately, a device with the capability of delineating the coronary morphology, plaque composition & structure, and directly measuring plaque mechanical property, is highly desired. To address the needs, by using the merits of IVUS and acoustic radiation force impulse (ARFI) techniques, this project proposes an innovative IVUS-ARFI transducer, which is the key part of an IVUS-ARFI diagnostic system. The project studies the acoustic radiation force and the induced deformation to discover the intravascular ARFI imaging theory; establishes the theoretical model of IVUS-ARFI transducer; develops the fast IVUS-ARFI imaging method; builds an IVUS-ARFI transducer prototype and a transducer test platform to do the in vitro IVUS-ARFI imaging. The project will provide theoretical and technical supports for developing the high-end medical equipment (i.e. IVUS-ARFI diagnostic system) in future. It shows great potential to be a new gold standard for the diagnostic of CHD, to improve the diagnostic accuracy and to decline the morbidity & mortality of CHD significantly.

冠心病是人类死亡的主要疾病之一，其直接病因是冠状动脉中的易损斑块破裂造成血管腔堵塞和心肌缺血。而公认的冠脉检查“金标准”的冠状动脉造影和血管内超声成像尚不能早期、准确诊断易损斑块，憾失有效治疗。基于血管内超声成像和声辐射力脉冲成像的研究经验，本项目拟研发获取集合冠脉形貌图像、形态结构、成分组成和机械力学特征等信息，实现易损斑块早期、准确诊断的“血管内超声辐射力脉冲成像系统”的关键技术-血管内超声辐射力脉冲成像探头。通过深入研究声辐射力与血管组织形变位移机理，提出血管内超声辐射力脉冲成像的基础理论；建立血管内超声辐射力脉冲成像探头的理论模型；开发血管内超声辐射力脉冲成像快速成像算法；研制超声探头样机和成像测试平台，并进行仿体验证。本项目为研制高端医疗设备-血管内超声辐射力脉冲成像系统提供基础，有望成为冠脉检查新的“金标准”，对提升冠脉检测准确性，降低冠心病的发病率与死亡率具有重要意义。

面向冠心病和斑块的早期、准确检测，本课题研发可获取集合冠脉形貌图像、形态结构、机械力学特征等信息的“血管内超声辐射力脉冲成像系统”的关键技术-血管内超声辐射力脉冲成像探头；并使用研发的测试系统成功获得360°B模式成像和弹性位移信息。.本课题对血管内超声辐射力脉冲成像传感器和高频率血管内双频超声旋转成像测试系统展开深入研究。首先，通过深入研究声辐射力与血管组织形变位移机理，提出血管内超声辐射力脉冲成像的基础理论；推导了声辐射力与声强、激励信号的关系式，根据推导的关系式讨论了设计中激励信号的参数选择，最终确定双频的组合为9/40 MHz。.其次，建立血管内超声辐射力脉冲成像传感器设计的理论模型，完成了血管内超声双频旋转探头在的设计；并研究了声辐射力脉冲成像的位移估计算法，对比了时域互相关法和适用于求解多个散射点位移的傅利叶变换法。.然后，研制双频率血管内超声辐射力脉冲成像传感器，传感器尺寸为3.2mm (L)*1.0mm(W)*1.0mm(T)，符合血管内超声探头标准；声学测试结果表明传感器性能符合设计要求。.最后，开发了高频率血管内双频率超声旋转成像测试系统；使用研制的血管内超声辐射力脉冲成像传感器在仿体中进行了回波成像和弹性验证，实现了半径8mm的B模式的旋转成像，成像对比度大于40dB；使用声辐射力脉冲成像方法在仿体中检测到了12微米的位移；并通过改进处理链路和成像算法，较初始处理方法，提升39倍回波成像处理速度，提升4651倍弹性位移检测速度；使用中低端CPU（i5-1035G1）1GHz单核心计算时，每秒可以获得18帧B扫图像和23条2mm深度区间的位移检测曲线，满足实时显示的计算速度需求；而同CPU的四核心并行计算可以获得额外大约30%的加速。.本课题为研制高端医疗设备-血管内超声辐射力脉冲成像系统提供基础，对提升冠脉检测准确性，降低冠心病的发病率与死亡率具有重要意义。