增強穿刺和介入產品超聲可視效果策略研究

【作 者】許耘，程茂波

國家藥品監督管理局醫療器械技術審評中心，北京市，100081

0 引言

體外成像技術是成功實現穿刺、活檢及介入置管的基礎，在體外成像技術的輔助下，可避免血管痙攣、出血、氣胸等并發癥，使穿刺及介入等臨床操作更加安全有效。穿刺及介入過程常用的體外成像技術輔助方式有X射線成像、CT成像、超聲成像等。其中超聲成像便攜、成本低、且無輻照潛在威脅，可用于實時跟蹤導管等介入器械在人體中的位置[1]。研究顯示超聲引導穿刺、活檢及介入置管手術可降低手術創傷、減少并發癥，從而提高手術安全性和成功率。例如在超聲引導下進行可視化穿刺及腫物活檢定位，能夠實時掌握穿刺途徑、提高取材成功率；借助超聲成像引導硬膜外穿刺可以實時顯示進針途徑、準確觀察進針方向及進針深度，減少穿刺意外；超聲引導下Seldinger穿刺經外周中心靜脈導管置管術使穿刺成功率顯著提高。

醫學超聲成像的基本原理是依靠超聲波在人體內傳播過程中所產生的回聲來建立影像。在超聲成像系統中，圖像對比度的形成主要源于反射系數的差異。盡管超聲成像輔助操作有諸多便捷和優勢，可視化不良卻制約了超聲成像在多個方面的應用。除了提高超聲探測設備精度和靈敏度之外，穿刺及介入相關器械的改良也是解決超聲下可視化不良是一個重要的研究方向，該方向主要通過對器械材料改性和結構優化來增強其在超聲場中的可視性。本研究介紹了穿刺定位針、介入導管及導絲等產品在優化其超聲可視性能方面常見的方法及設計，并探討其涉及的相關性能要求。

1 穿刺定位針超聲可視效果增強策略

在穿刺過程中清晰辨別位置并準確定位是穿刺定位操作的基礎，由于穿刺針表面光滑，在超聲顯影下會對入射聲波產生鏡面反射，隨著穿刺針角度變化，當與超聲波束夾角越小時，能被探頭接收的聲波越少，導致超聲下顯影困難。為實現穿刺針及定位針在超聲引導下清晰顯影，穿刺定位針增強超聲可視效果的策略一般為將針的遠端一段距離設計為螺旋形凹槽，形成超聲高回聲反射面，使針端亮度與周圍組織反差較大，在超聲引導下可視效果增強，從而提高治療過程中的精準度和安全性[2]。

然而這種設計在提高超聲可視效果的同時也存在一定的風險點。一方面這類穿刺定位針通常僅在針身頂端或某特定部位設計超聲紋路增強面，不利于對穿刺定位器械的全程跟蹤和定位。另一方面，這種紋路增強面一般設計成凹槽結構，帶來的受力薄弱點對穿刺定位針總體結構造成潛在損傷，影響了針體的硬度和抗彎折能力，從而增加術中折斷的風險。

如何增強穿刺定位針的全程超聲反射能力，在提高針體超聲可視性的同時不破壞針體結構是主要研究方向。牛驍猛[3]提出構建含微氣泡的超聲成像增強針刀涂層，該思路利用超聲造影劑微氣泡增強超聲成像的特點，通過在聚合物涂層中引入微氣泡，利用固化在涂層中的微氣泡來增加涂層的異相界面，導致超聲反射截面積增大，從而提高針刀涂層的超聲顯影能力。

通過從涂層中引入微氣泡，既能達到全程超聲可視增強，也可以解決針體局部力學強度減弱的問題。這種方式對于穿刺定位針增強超聲可視性的設計也有一定的借鑒意義。

2 介入導管超聲可視效果增強策略及研究

介入導管是介入治療的關鍵器械。幾乎所有的介入治療都離不開介入導管的輔助，包括向目標血管注入藥物、栓塞劑及后續治療器械；用于擴張狹窄、局部引流等。目前介入導管常見的主體材料多為高分子聚合物，如聚烯烴類、聚氨酯及尼龍彈性體等。這些高分子聚合物主體材料的聲阻抗值與生物體組織的聲阻抗值相差不大，因此在超聲引導下進行介入置管的可視效果較差，這也是超聲成像輔助介入導管應用的主要制約因素。

為了增強導管的超聲可見性，除了從改進超聲儀器系統著手外，另一個主要方向即為改進介入導管本身的設計，主要包括針對導管材料改性和增加特殊結構，改變超聲波在導管與人體組織界面聲波反射程度以及反射角的大小。

為改變界面聲波反射程度，目前常用的改性方法主要包括在導管材料中摻入與生物組織聲阻抗差異較大的材料。當超聲波在人體組織傳播遇到不同聲阻抗的兩層臨近介質界面時，界面兩側介質的聲阻抗差值越大，其回聲的波幅越高，根據回聲波幅的高低、形狀等可對所探測組織進行判斷。因此導管材料摻入劑包括高聲阻抗成分（例如重金屬元素鎢、氧化鈦等）或低聲阻抗成分（例如引入微氣泡或空穴等），這樣通過與組織聲抗對比度來提高導管的超聲反射強度，也有通過嵌入重金屬顯影環（如鉑銥合金顯影環）來增加導管局部超聲反射強度。為改變超聲波在導管與人體組織界面反射角的大小，一般還可以通過在導管表面引入特殊的表面形貌特征來提高超聲的回波程度及回波形狀[4-5]。

通過上述改性方法，使超聲信號在導管與生物組織界面處更加清晰可分辨，可進一步提高臨床介入操作的精準性。

3 其他

由于超聲成像輔助在介入治療領域的優勢及迫切需求，各種創新思路層出不窮。

例如潘湘斌等設計的超聲介入引導導絲，通過將遠端鎳鈦網設計成橫截面較大的梭形結構，實現超聲下特定位置顯影的功能。該設計是利用鎳鈦合金絲編織成與血液形成較大差別的介質界面來增強超聲反射，此外菱形設計具有更大的體積及橫截面，從而更容易被超聲探測。該導絲在超聲引導經皮介入治療應用時，可以在房間隔缺損封堵術中，在超聲引導下通過缺損，并引導輸送系統到達左心房。

此外，“超聲+技術”的大力發展也為超聲成像輔助操作的可視化做出了卓越的貢獻，例如“超聲+磁導航”技術，在磁定位指導下可實時監控針尖位置，“超聲+壓力”引導技術可通過檢測壓力的變化間接提示穿刺針的位置。這些方法都進一步擴展了可視化的衡量范圍。

4 穿刺和介入產品超聲可視增強策略的風險防控措施

穿刺和介入產品在超聲可視效果增強在帶來更好超聲可視效果的同時，也引入了相關風險。在對風險進行評估時，應對所涉及的相關性能要求進行分析和驗證。

例如上述紋路和凹槽/凸起等設計使穿刺針體結構發生改變，對針體結構造成一定損傷，從而增加術中折斷的風險，針對該類設計應明確穿刺針材料選擇依據及熱處理工藝參數設定依據，并在性能要求中增加穿刺力和剛性及韌性等指標。

介入導管/導引導絲類產品主要參考YY 0285及YY 0450系列標準，對于增加超聲可視性的各種設計，均應不降低產品本身安全使用性能。一般來說，在導管原材料主體中摻入高聲阻抗填料會對復合材料屈服應力產生影響，而管壁厚度的改變會影響導管產品的通過性能和抗扭結性能，因此在性能驗證方面宜全面考慮管壁抗負壓性能、抗扭轉性能、斷裂力等性能并對產品模擬使用性能進行驗證。由于高聲阻抗介入導管材料的配方中含有不溶性的無機填料或添加劑，在開展生物學評價時還應對介入導管材料進行可瀝濾物分析，同時關注浸提液中不溶性微粒。例如硫酸鋇等填料的增加可能導致鋇離子析出增加，產品的重金屬限量超過相關的化學性能要求。建議應當對鋇離子的毒理學進行評價并制定合理限值。此外，還應關注標記點、顯像效果穩定性等性能要求。

總之，通過對器械材料改性和結構優化來增強其在超聲場中的可視性是一個很好的方向，同時也應對引入的相關風險進行關注和控制。