《The Innovation》：Stepped 2D array needle transducer for 4D ultrasound imaging-guided spinal puncture
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本研究针对脊柱穿刺术中穿刺针定位不准、传统超声引导存在盲区的临床难题，创新性提出一种集成于穿刺针尖端的阶梯式二维阵列换能器。通过256阵元、10 MHz高频设计及旋转复合成像技术，首次在活体猪实验中实现实时三维超声容积成像，精准识别脊柱周围组织结构。该技术为脊柱微创手术提供了高分辨率、无辐射的实时导航方案，显著提升穿刺安全性与准确性。
脊柱是人体支撑与运动的核心结构，其内部的脊髓如同信息高速公路，承担着大脑与躯干间的信号传递。脊柱穿刺作为诊断脊柱退行性疾病、脑脊液采样及椎管内麻醉的常规微创操作，需精准避开骨骼与神经，直达目标区域。然而，传统穿刺依赖医生手感与X射线辅助，存在辐射风险且无法实时监控针尖轨迹，尤其当穿刺针需绕过椎骨时，后方组织显像困难，易导致并发症。
为解决这一难题，中国科学院深圳先进技术研究院的王星颖、黄文月等团队在《The Innovation》发表研究，开发了一种可嵌入穿刺针尖端的阶梯式二维阵列超声换能器。该设备通过256个微阵元（阵元间距100 μm）与阶梯式布局，匹配针尖斜面结构，在体内直接发射并接收高频超声波，生成实时三维容积图像，为医生提供针尖前方的动态解剖导航。
关键技术方法
研究采用KLM模型与有限元软件PZFlex优化换能器结构，设计双匹配层与导电背衬层以提升声能传输效率。通过创新堆叠工艺，将16层压电阵列与柔性电路集成于直径3 mm的针管内，解决了高频二维阵列阵元高密度连接的难题。成像方面，结合发散波扫描与多角度旋转复合技术，通过17个虚拟源分布与24角度信号融合，显著提升图像信噪比与对比度。活体实验选用50 kg猪模型，联合X射线验证穿刺路径准确性。
研究结果
- 1.
器件性能验证
换能器中心频率9.4 MHz，带宽56%，阵元间串扰低于-26 dB。声场仿真与实测显示，阶梯式结构有效减少针尖对声束的遮挡，聚焦能力优于平面阵列（图3D-E）。
- 2.
成像质量评估
字母与钨丝仿体实验表明，该系统轴向分辨率达185 μm，可清晰识别0.26 mm笔画结构（图4）。旋转复合成像使对比噪声比（CNR）从1.8提升至5.9，显著抑制散斑伪影（图5C）。
- 3.
离体与活体实验
离体猪脊髓成像中，换能器可清晰显示脊髓弧状边界、前后正中裂等细微结构（图6B-C）。活体穿刺时，超声图像实时呈现椎板、黄韧带及脊髓上下表面，引导针尖避开骨骼并精准接近目标区域（图7）。X射线证实穿刺路径与超声导航一致性。
结论与意义
该研究首次将全寻址二维阵列换能器集成于穿刺针尖端，通过内窥镜式实时三维超声成像，解决了脊柱穿刺中组织遮挡与针尖定位盲区的关键问题。阶梯式设计兼顾声学性能与器械兼容性，旋转复合成像策略进一步提升图像均匀性。未来通过优化阵元密度与电路屏蔽，有望推动该技术向更高分辨率及更细针径发展，为脊柱微创手术、神经介入及肿瘤消融提供普适性导航平台。
