硬膜外麻醉是一种常见的临床麻醉手段,广泛应用于无痛分娩、术后镇痛、保护心肌和联合腰麻、气管内麻醉等手术。通过将药液注入黄韧带与硬脊膜之间的腔隙,扩散的局部麻醉药物将此腔内穿出椎间孔的神经根麻醉,阻止脊髓神经传输信号,达到局部麻醉的效果。目前在临床上,医生主要凭借他们的临床经验和主观手感进行穿刺,这种手术对医生的操作熟练度有较高的要求。现有的用于判断穿刺位置的技术包括压力检测、电刺激检测和光学检测等,这些方法可以用于判断穿刺效果,但难以形成直观的图像。超声成像设备具有检测费用低、使用便携、穿透性强、成像深度大、无电离辐射等优点,利用超声回波可以形成直观图像区分组织并进行实时引导。用于体外成像引导的超声换能器,其发射或接收的超声波在传播路径上容易被骨头遮挡,成像分辨率低;用于体内成像引导的单阵元针式换能器,在固定位置只能得到一个回波而没有周围组织的图像。本文首次设计了一种用于实时穿刺引导的针式面阵梯度换能器,通过调整相位实现电子聚焦,能够以小孔径扩大超声成像视野,进行实时的超声穿刺引导。利用Field Ⅱ仿体成像仿真,发现针式面阵梯度换能器相比于平面换能器,降低了大于半波长的阵元间距引起的栅瓣伪像影响。为优化制作参数,基于PiezoCAD拟定针式面阵梯度换能器的尺寸和材料,并对单阵元的电阻抗和相位角、脉冲回波和频谱进行仿真。通过将PZT-5H研磨、真空镀金、凝固上匹配层和背衬层等制作步骤后,切割阵元形成单排阵列。经过挑选,将单排阵列在柔性板上粘结,再叠层成为针式面阵梯度换能器。制作得到的针式面阵梯度换能器阵元尺寸为110μm*110μm,压电材料层厚度为109μm。总数为64个,其中56个作为成像激励阵元,8个作为接地阵元;阵元中心频率为17.3MHz,-6dB带宽为42.6%,阵元间串扰值小于-23.81dB。最后基于Verasonics Vantage 256数据采集平台成像系统开展了针式面阵梯度换能器的线仿体成像实验和离体动物成像实验。采用电子延时、波束合成、动态聚焦等技术,可以实现线仿体的二维和三维成像,能够通过基于猪脊骨的二维成像实验,实时鉴别硬膜外穿刺路径周边的骨头。本文提出的用于实时穿刺引导的针式面阵梯度换能器,相比于现有的半波长阵元间距的面阵换能器,增强了成像栅瓣抑制效果,加大了阵元尺寸,提高了换能器发射、接收效率和换能器频率。由于外形同穿刺针吻合,减少了成像遮挡,扩大了成像范围。本文从仿真、制备和成像的角度,对针式面阵梯度换能器的可行性进行了讨论,为下一步在临床上开展安全准确的三维实时穿刺引导,减少硬膜外麻醉失败风险提供了新的成像依据。