The Innovation | 穿刺针的眼睛——实时三维立体成像引导的脊椎穿刺技术

脊椎穿刺可以为揭开中枢神经系统的“神秘面纱”提供最直接的窗口，高频针式面阵超声换能器能够实现高分辨率实时三维成像，有望成为脊椎穿刺过程中穿刺针前端的“眼睛”，为脊椎穿刺提供更精准的引导。

导 读

脊椎穿刺是许多疾病微创介入诊疗的重要程序。在穿刺过程中，成像引导意义重大，是确保安全性和准确性的关键手段。在穿刺针尖集成超声面阵换能器能够提供更丰富的针尖前端组织三维空间信息。

图1 图文摘要

脊椎穿刺在神经系统疾病的诊疗中起着重要作用。图像引导是提高脊椎穿刺成功的关键。超声成像具有安全、便捷、实时等特点，是一种理想的介入穿刺成像引导策略。现有超声成像引导技术存在明显的缺陷，其尺寸大，仅能体外二维成像，且穿刺过程中穿刺针位置难以确定。

为了解决以上问题，本研究提出一种新型的高频针式面阵换能器，它可以集成在穿刺针尖，实现针尖前组织三维立体超声成像，为脊椎穿刺图像引导提供了新思路。同时，本文首次提出了一种新型层叠式面阵制作方法，实现了高频、小尺寸、且与穿刺针尖形状匹配的针式面阵换能器的研制，克服了当前高频面阵换能器制备的技术难题。

本研究设计并研制了一款高频针式面阵超声换能器，其阵元布局与针尖形状相匹配，并发明了一种新型层叠式面阵制造的工艺方法。如图a所示，针式面阵换能器具有256个压电阵元，包括16层压电阵列，每层包含16个阵元，阵元尺寸为75μm × 75μm，间距为100μm，厚度为133μm，中心频率为10MHz(图b)。此外，本研究还提出一种旋转复合成像方法，用于进一步提高图像质量。成像性能通过线仿体(图c)、字母仿体(图d)及组织仿体(图e)进行了系统评估，并开展了活体猪脊椎穿刺实验(图f)，以验证其脊椎穿刺引导方面的性能。

图2 针式面阵换能器结构示意图及性能表征：（a）结构示意图（b）阵元回波测试曲线（c）线仿体三维图（d）字母仿体三维图（e）组织仿体三维图（f）离体脊椎组织超声成像

本研究开发的针式面阵换能器阵元具有良好的一致性，且具备宽频带响应特性，有助于提高成像分辨率与信号质量。通过线仿体、字母仿体、组织仿体以及离体猪脊椎样本的系统成像实验，充分验证了针式面阵换能器三维立体成像的能力。换能器成像轴向的分辨率为166.5μm，表明该换能器在穿刺路径方向上具有较高的细节分辨能力。所获得的图像对比度(CNR)为4.6，显示出良好的不同组织的分辨能力。 “SIAT”等仿体字母可被清晰三维识别。此外，在活体猪脊椎穿刺实验中，实时三维超声图像能够明确显示穿刺针的进针路径与当前位置，表明针式面阵换能器具备术中实时引导的能力。

综上所述，本文研制的高频针式面阵换能器在多种仿体及活体实验中展现出良好的结构成像能力和术中应用前景，显示出其在脊椎穿刺手术中实现实时三维成像引导的重要潜力。

总结与展望

脊椎穿刺因难以实时定位针尖位置而存在风险，因此，本研究提出了一种新型高频针式面阵换能器，在活体猪上成功实现了三维立体超声成像引导的脊椎穿刺，有望为临床介入穿刺成像的引导提供新方法和新工具。

责任编辑

方 薇   山东大学附属威海市立医院