具有自动相位校准功能的柔性超声换能器阵列，用于动脉硬化检测

《Ultrasonics》：Flexible ultrasonic transducer array with automatic phase calibration for arteriosclerosis detection

开发柔性超声换能器阵列自动相位校准系统用于高分辨率颈动脉成像及血管机械参数连续监测，通过五片柔性压力传感器重建曲面（误差0.34mm），系统中心频率4.6MHz，带宽53%，phantom测试显示轴向分辨率0.75mm、横向0.93mm，活体测试成功捕捉颈动脉动态直径变化及周向应力83.1kPa、应变7.09%、静态弹性模量1.17MPa等关键参数，提供可穿戴的动脉粥样硬化早期筛查与动态追踪解决方案。

　　本研究提出了一种新型的柔性超声换能器阵列系统，具备自动相位校准功能（FUT-APC），用于高分辨率颈动脉成像以及血管机械参数的连续监测。该换能器将元件位置感知与实时相位补偿相结合，通过五组柔性压力传感器重建附着表面的曲率轮廓，其重建误差仅为0.34毫米。系统能够在复杂的曲面结构上保持稳定运行，相较于传统探头在弯曲或不规则几何表面的表现，显著提升了成像质量。同时，系统引入了接触压力可视化机制，使得在长期测量过程中能够实时监控施加的压力，确保数据的一致性与可重复性。FUT-APC换能器的中心频率为4.6兆赫，-6分贝聚焦宽度为0.74毫米，带宽达到53%。在模型测试中，系统实现了轴向分辨率优于0.75毫米，横向分辨率优于0.93毫米。在人体实验中，成功捕捉了颈动脉壁的动态直径变化，并结合壁厚测量，提取了关键的血管机械参数，包括环向应力（83.1千帕）、应变（7.09%）以及静态弹性模量（1.17兆帕）。FUT-APC提供了一种可穿戴且高精度的解决方案，用于动脉粥样硬化的早期筛查、风险评估和动态跟踪。

动脉粥样硬化是心血管和脑血管疾病的根本病理基础，其所引起的血管狭窄和斑块不稳定是导致严重事件如心肌梗死和中风的重要因素。因此，早期、非侵入性的检测以及动脉粥样硬化进展的持续监测对于降低心血管风险至关重要。脉搏波速度（PWV）被广泛认为是评估动脉僵硬的黄金标准；然而，由于波反射、路径长度估计误差以及不同解剖部位动脉特性的差异，PWV存在一定的局限性。高分辨率成像技术如磁共振成像（MRI）能够实现血管壁结构和斑块成分的非侵入性可视化，而计算机断层扫描（CT）则可定量评估冠状动脉钙化和管腔狭窄。然而，CT涉及电离辐射，且MRI和CT均不适合用于可穿戴、连续监测的场景。这些成像系统通常体积较大，更适合用于诊断评估，而非日常筛查或实时跟踪。相比之下，超声成像操作简便、实时性强、安全性高且成本相对较低，广泛应用于内膜中层厚度（IMT）测量、PWV估算以及动脉压力波形重建。B型超声测量IMT是评估亚临床动脉粥样硬化的关键指标，厚度增加与未来中风和心血管事件的风险有显著相关性。超声不仅能够获取静态结构参数，还能够捕捉动态血流动力学信息，如动脉压力波形。例如，一些研究已采用基于超声的径向运动追踪技术，非侵入性地重建中心动脉压力波形。这些波形相比单点血压测量，提供了更丰富的血管弹性和心脏功能信息，使得动态评估更加全面。

近年来，结合超声成像优势与柔性电子技术的柔性超声换能器，成为实现动脉粥样硬化长期、连续监测的有前景解决方案。Hu等人对可穿戴超声技术进行了全面综述，强调了柔性换能器材料、结构集成以及用于连续监测血流动力学和器官级生理信号的生物医学应用的最新进展。Wang等人开发了一种可贴合颈动脉的柔性超声贴片，用于非侵入性、连续监测中心血压波形。Liu等人设计并优化了一种可拉伸的柔性超声阵列，能够非侵入性地获取连续颈动脉血压波形，其结果与临床侵入性测量相当。他们还展示了该阵列在运动状态下的稳定性，使其能够在不依赖外部压力阻断的情况下实现长期稳定监测。Wang等人进一步开发了一种基于双束多普勒技术的柔性超声换能器，实现了对深层动脉血流速度的高精度、实时、连续非侵入性监测。在B型成像领域，Wang等人提出了一种可拉伸相控阵换能器，能够实时、连续、非侵入性地监测深层组织的血流动力学信号。该换能器可以动态获取心脏、大脑等重要器官的生理信息。Hu等人报道了一种可穿戴柔性超声设备，用于心脏成像，实现了在日常活动条件下对左心室功能的准确、实时评估，并进一步开发了一种可拉伸阵列，用于高分辨率、非侵入性地绘制组织弹性，以实现动脉粥样硬化的早期诊断和康复监测。

尽管已有研究在柔性超声换能器领域取得了一定进展，但现有的方法仍面临诸多挑战，如计算复杂度较高、实时性能不足，或对换能器元件位置的感知较为间接。这些问题限制了在弯曲条件下保持稳定聚焦的能力。为此，本研究提出了一种具备自动相位校准功能的柔性超声换能器阵列系统，该系统集成了元件位置感知和实时相位补偿机制，有效缓解了因换能器变形导致的聚焦漂移和成像伪影。该系统能够在复杂曲面结构上实现稳定、高分辨率的超声成像，相较于现有技术，FUT-APC在保持低硬件复杂度和计算负担的同时，实现了对血管机械参数的准确和可靠监测。该系统为动脉粥样硬化的早期筛查和长期风险评估提供了新的技术解决方案。

该柔性超声换能器阵列系统（FUT-APC）的结构如图1所示，由两个集成组件组成：超声信号感知层和元件位置感知层。超声换能器阵列采用1-3复合压电材料（C-6，日本富士陶瓷公司）制造，该材料能够实现声信号的发射和接收。为了达到声阻抗匹配，系统设计了特殊的材料组合和结构布局，使得换能器在与皮肤接触时能够高效传递和接收声波。同时，换能器在表面贴合时，能够自动感知其位置变化，并通过相位补偿技术实时调整信号，从而确保成像的稳定性与准确性。这种设计不仅提高了系统的适应性，还减少了因换能器变形导致的信号失真和成像偏差。

在超声换能器的设计过程中，研究人员还进行了仿真分析，以优化其性能。图2(a)展示了单个换能器元件（5兆赫，尺寸为0.6毫米×10毫米）的模拟声场，该声场由Field II软件基于Tupholme–Stepanishen方法生成。为了模拟超声波在人体组织中的传播，研究中应用了0.81分贝·厘米?1·兆赫?1的衰减系数。该值来源于实验中通过水听器扫描测量得到的单个元件声压场数据，如图2(c)所示，其中在XZ平面上以0.5毫米的步长测量了声压场。通过仿真，研究人员能够预测换能器在不同应用场景下的性能表现，并优化其结构参数以提高成像质量。此外，仿真结果还为实际应用中的参数调整提供了理论依据，使得FUT-APC在实际操作中能够实现更精确的成像和更可靠的机械参数测量。

本研究提出的FUT-APC系统在成像稳定性、数据一致性以及适应复杂曲面结构方面表现突出。通过自动相位校准技术，系统能够在弯曲或不规则的血管表面保持稳定的贴合状态，从而避免因换能器变形导致的聚焦漂移和成像失真。这种能力使得FUT-APC能够为血管机械参数的动态监测提供可靠的基础，尤其在动脉粥样硬化的早期筛查和长期跟踪方面具有重要价值。系统通过接触压力的可视化机制，确保了在长时间测量过程中施加压力的均匀性，从而提高了数据的可重复性和准确性。这种设计不仅提升了系统的实用性，还增强了其在临床应用中的可靠性。

FUT-APC的另一个重要特点是其高分辨率成像能力。在模型测试中，系统实现了轴向分辨率优于0.75毫米，横向分辨率优于0.93毫米，这表明其在捕捉细小结构变化方面具有较高的精度。同时，系统在人体实验中成功记录了颈动脉壁的动态直径变化，并结合壁厚测量，提取了关键的血管机械参数，包括环向应力、应变和静态弹性模量。这些参数对于评估动脉粥样硬化的进展和预测心血管风险具有重要意义。通过这些参数，研究人员能够更全面地了解血管的弹性特性以及心脏的供血情况，从而为临床诊断和治疗提供更丰富的信息支持。

此外，FUT-APC还具备可穿戴性和连续监测的优势。与传统的超声成像设备相比，FUT-APC系统能够在不干扰患者日常活动的情况下实现长期、连续的监测。这种特性使其特别适用于需要持续跟踪血管状态的临床场景，如动脉粥样硬化的早期筛查、风险评估和动态监测。系统的设计兼顾了硬件的轻便性与功能的完整性，使得其能够在不同环境下保持良好的性能表现。同时，系统的低硬件复杂度和计算负担也为其在实际应用中的推广提供了便利，特别是在资源有限的医疗环境中。

本研究的成果为动脉粥样硬化的监测提供了新的思路和技术手段。通过集成元件位置感知和相位补偿机制，FUT-APC能够在复杂曲面结构上实现高分辨率成像，同时准确获取血管的机械参数。这不仅提高了监测的准确性，还增强了其在临床中的实用性。系统能够实时捕捉血管壁的动态变化，使得医生能够更及时地发现异常情况，并采取相应的干预措施。此外，系统通过可视化接触压力，确保了测量过程中的稳定性，减少了因压力变化导致的数据偏差。

在实际应用中，FUT-APC的可穿戴性使其能够贴合在患者体表，如颈动脉等部位，实现无创、连续的监测。这种设计避免了传统侵入性方法的局限性，如需要插管或手术操作等，从而提高了患者的舒适度和依从性。同时，系统能够适应不同个体的生理特征，使得其在临床应用中具有更高的普适性。此外，FUT-APC的实时性使其能够捕捉血管在不同状态下的动态变化，为疾病的早期预警和干预提供了重要依据。

总的来说，FUT-APC系统在提高血管成像质量和机械参数监测的准确性方面具有显著优势。通过自动相位校准技术，系统能够在复杂曲面结构上保持稳定的贴合状态，从而避免因换能器变形导致的信号失真和成像偏差。这种设计不仅提升了系统的适应性，还增强了其在临床应用中的可靠性。FUT-APC的可穿戴性和连续监测能力，使其成为动脉粥样硬化监测的重要工具，具有广泛的应用前景。未来，随着技术的进一步发展和临床验证的深入，FUT-APC有望在心血管疾病监测领域发挥更大的作用，为患者的健康管理提供更全面的支持。