血管内超声技术诞生于20世纪末，它利用安装在心导管顶端的微型超声探头，实时显示血管的截面图像，能清晰显示管壁结构的厚度、管腔大小和形状等，精确地测量血管腔径及截面积，甚至可以辨认钙化、纤维化和脂质池等病变，发现冠脉造影不能显示的血管早期病变。

早在1956年，Tomasz Cieszyński教授就制造了第一根超声波导管，拟用于心内检查，但他的第一篇文章仅报告了体外和动物试验的结果。3年后的1959年，University of Washington的Franklin教授团队描述了一种侵入性的超声波测量方法，如下图1，但注意他们开发的超声设备并未进入心内。

图1 整合通过降主动脉的血流以评估每搏输出量，通过安装在左室两侧的钛酸钡晶体（Barium titanate crystals）间的超声传播时间来记录左心室的直径

20世纪70年代初，在超声的大发展浪潮下，荷兰 University Hospotal ‘Dijkzigt’ Rotterdam的 N. Bom教授等人开发了第一个心内相控阵探头，如下图2。

图2 70年代出现的第一代ICE导管探头

图3 70年代（左，32元件相控阵，5.6MHz）和90年代（右，30MHz）的两代IVUS导管及其成像对比（初代成像好玄幻）

到了1981年，美国New York University Medical Center的Ephraim Glassman教授和Itzhak Kronzon教授，第一次在心内超声导管（导丝？）指导下完成了房间隔穿刺。他们使用的M-mode超声换能器宽0.2mm，直径0.5-0.75mm，7.5MHz，是偏铌酸铅或锆钛酸铅的盘状晶体，安装在同轴导线上，如下图4，能够穿过8Fr的心内导管或17号房间隔穿刺针。

图4 传感器连接同轴导线，该导线近端配有标准连接器

随后，在食道超声小型化的基础上，在二维超声导管诞生后不久，即迎来了4D ICE导管。如下图5，这是个10Fr，带有64元件、6.2MHz的相控阵导管。这也是既往集成在12Fr导管（GEN I）上，或70元件、112元件换能器的优化版。

图5 2011年，第一篇4D ICE超声导管原型（GEN III）的报道，注意当年的作者中包含了GE和BW的科学家们

为了实现4D功能，研究者们开发了一个在仰角方向具有内部机械振荡/振动的一组扇形相控阵超声换能器，其中机械振荡（Mechanical oscillation）是通过将1.9mm微电机与导管头段的换能器集成来实现的。（此处的微电机是美国MicroMo Electronics公司提供的，带有gearhead，能够产生约300uN.m的峰值扭矩）换能器则是在柔性电路上制造的，声学堆栈大致位于其中心。制造换能器的两层柔性电路大约长168mm，宽2mm。（虽然看描述很高大上，不过筒子们应该也猜出来了，估计是用机械扇扫来做成的大范围成像，毕竟是15年前的技术）

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图6 GEN III原型导管相控阵的设计参数

图7 GEN III原型导管头段设计，换能器位于远端而微电机位于近段，柔性互联电路可在其下方空间内旋转

图8 GEN III原型导管头段的分解图。（A）换能器；（B）和（C）远端和近端换能器固定装置；（D）非聚焦透镜；（E）磁铁；（F）电机和变速箱；（G）电机固定装置；（H）热敏电阻；（I）填充管；（J）通气管；（K）填充针。所有换能器和电机组件集成并密封在10-Fr的聚甲基戊烯管（L）内

图9 对比下传统的手持超声探头的设计（有些基本的东西是不会变的～）

图10 GEN III导管外观和头端特写

后面有段历史相信大家也很熟悉了，反正不晓得谁离开了谁，BW和另一家联手了，GE的科学家们则在2016年发表了一篇新进展。这次的题目就起得比较实际了“4D ICE：a 2D array transducer with integrated ASIC in a 10 Fr catheter for real-time 3D intracardiac echocardiography”，ASIC-专用集成电路（Application-specific integrated circuits）。此文中的10Fr导管和GE Vivid E9超声成像系统进行联用。我们都晓得，理论上，相控阵换能器只能做一维方向的扫描，如要增加方向，那么就必须增加相控阵元，或加用机械转动，如上文。而在本文中，GE的科学家们特意又提到，当前市面上已有的，连用不同三维标测系统的AcuNAV、ViewFlex和SoundSTAR ICE导管，都是基于一维的相控阵换能器和单平面的二维成像。

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图11 一些评价的原文

图12 本文中的新换能器和柔性电路设计。两个两层的柔性电路（0.025mm聚酰亚胺）在换能器区域层压在一起，但在其它区域分离以保持灵活性。换能器以8个为一组制造，然后切成小块（底部）以进行最终测试并组装成导管

图13 本文中换能器的截面图

如上图，本次科学家们声学设计的核心是高介电常数压电陶瓷（L-155NF），两个前匹配层（金属填充石墨，以及ABS塑料）耦合PZT，高阻抗“去匹配层dematching layer”（碳化钨）则将PZT从柔性电路和硅ASIC中解耦，并使PZT在四分之一波长模式下运行。高阻抗去匹配层能将大部分声能从压电陶瓷向前引导通过匹配层，从而减少了对高衰减背层的需求。

图14 GE的4D ICE导管原型（与Thomas Medical合制）

图15 本文中的4D ICE导管采用的同轴转向设计，与其它四向可调弯的ICE导管的比较

最终，科学家们总结，他们开发了具有集成发射和接收ASIC的2D阵列超声换能器，可用于实时3D心内超声心动图（4D-ICE，高达90度*90度的4D视场），展现了有利于低成本制造的换能器设计和制造工艺。

文章来源：MiHeart