高频光致超声换能器及血管内超声成像应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

随着我国人口老龄化加剧，心血管疾病已成为城乡居民的主要疾病负担和死亡因

素。动脉粥样硬化斑块破裂是引起急性冠状动脉综合征及心源性猝死的主要原因，高

分辨率血管内成像技术是对心血管疾病进行早期诊断和辅助治疗的主要手段。然而，

传统血管内成像技术光学相干层析成像（OCT）和血管内超声（IVUS）成像，难以兼

顾成像分辨率和成像深度，无法满足对心血管疾病的诊断需求。最近研究的光致超声

换能器，因其小尺寸、宽频带、抗电磁干扰、易与光纤集成等特点在血管内成像方面具

有优势。高频光致超声换能器的频带宽度显著高于传统压电换能器，具有更高的轴向

分辨率。因此，研究用于血管内成像的高频光致超声换能器对于心血管疾病的诊断和

评估具有重要意义。然而，光致超声换能器在产生高频（≥20MHz）超声方面仍存在

挑战。因此，本文针对高频光致超声换能器及其血管内超声成像应用展开研究，主要内

容如下。

首先，基于光声原理，建立了光致超声频率的理论模型，研究了光吸收材料的光学

特性和热膨胀材料的声传播特性对光致超声频率的影响。研究发现，光致超声中心频

率随热膨胀材料声速的增加而提高，其中烛灰-聚二甲基硅氧烷/二氧化硅（CSNP-

PDMS/SiO）层状结构的光致超声换能器具有优异的性能，其中心频率~20MHz、-6dB

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带宽~160%、峰值声压~2.3MPa。然后，将该光致超声换能器与400µm多模光纤集成，

并融合光纤水听器，研制出一种直径~1mm的全光型超声内窥成像探头；同时搭建了

全光型超声内窥成像系统，可实现轴向分辨率为~46µm、深度＞4mm的血管内超声

成像。血管仿体和离体猪主动脉超声内窥成像结果表明，全光型超声内窥成像技术在

在心血管疾病诊断方面具有广阔的应用前景。

关键词：光致超声换能器；频率调控；全光型超声成像；内窥成像

I

华中科技大学硕士学位论文

Abstract

WiththeagingpopulationinChina,cardiovasculardiseaseshavebecomethemain

diseaseburdenanddeathfactorforurbanandruralresidents.Ruptureofatherosclerotic

plaquesisthemaincauseofacutecoronarysyndromeandsuddencardiacdeath.High

resolutionintravascularimagingtechniquesaretheprimarymethodforearlydiagnosisand

auxiliarytreatmentofcardiovasculardiseases.However,traditionalintravascularimaging

techniquessuchasopticalcoherencetomography(OCT)andintravascularultrasound(IVUS)

havedifficultyinbalancingimagingresolutionandimagingdepth,andcannotmeetthe

diagnosticneedsofcardiovasculardiseases.Recentlyresearchedphotoacoustictransducers

haveadvantagesinintravascularimagingduetoitssmallsize,widefrequencybandwidths,

anti-electromagneticinterference,andeasyintegrati