创新故事汇 | 血管内影像的发展历史（一）

自1977年首次成功实施球囊血管成形术以来，冠状动脉介入领域迅速发展，治疗器械的创新、治疗技术的进步、治疗策略的优化给患者带来了明显临床获益。其中冠状动脉内成像技术的发展促进了冠脉介入诊治的精准评估和治疗，今天一起回顾这一段简史，重点是IVUS，面对需求，一起展望美好未来。

临床需求： 冠状动脉造影是评估冠状动脉疾病严重程度和指导治疗的基本工具，因为它是一种阴影图，描绘造影剂填充的管腔的平面投影，在临床应用中有一定局限性。存在错误估计和评价病变，不清楚病变的特点，治疗血管周边结构不清楚等等问题（图1、图2）。

图1

图2

针对这样的临床需求，提供冠状动脉的断层或横断面图像，包括管腔、血管壁、斑块负荷、斑块成分和分布，甚至血管周围结构等腔内信息可以为诊治提供更多有用的生物学信息。大量临床证据表明，这些工具可用于实践，并改善了患者结局。

图3 腔内影像学临床应用

探头式超声装置的概念可以追溯到20世纪60年代初，当时波兰医师Tomasz Cieszynski在波兰Wrocław，将一个基本的超声传感器安装在一个小导管上，以观察犬的心脏腔。大约10年后，Bom等开发了一种更复杂的相控阵导管，将32单元超声换能器安装到3 mm (9 Fr)导管上，以评估人类心脏腔和其他心内结构。在这一点上，还没有专门设计用于评估人类动脉内解剖的设备，并且仅限于心脏腔本身的内部评估。20世纪80年代初，Sahn等人在亚利桑那大学首次通过超声对人类冠状动脉内解剖进行了描述，他们在冠状动脉搭桥术前使用9 MHz和12 MHz的表面超声探头扫描患者的心外膜冠状动脉。

图4  高频心外膜冠状动脉超声的早期图像。

12 MHz心外膜表面超声探头。心外膜超声图像显示右冠状动脉内的动脉粥样硬化物质，右上角箭头显示病变阴影

直到20世纪80年代末和90年代初， Paul Yock通过加州大学旧金山分校和斯坦福大学正式开发并描述了首批非商业IVUS系统之一。此设备被广泛认为是IVUS之父，提供了第一批一般动脉结构的体内图像，首次描述了动脉的三层结构特征。

IVUS系统：直径1.6 mm或2.6 mm(5或8 Fr)导管上；20 mhz换能器；机械旋转1800 rpm；360°的血管全壁视图；图像实时配准；帧率15 ~ 30帧/s，录像带记录图像。

图5  Paul Yock 1986年专利IVUS导管设计原图

1989年，Tobis和Mallery开发了一种类似的单个20 mhz导管系统(Intertherapy Inc.， Costa Mesa, CA)，在尸检时对冠状动脉、髂、股和胫骨系统进行了测试。与Yock的系统相比，他们的设备采用了直径1.2毫米(3.6 F)的导管，便于进入较小的动脉系统。后来记录了一些动脉系统在球囊扩张血管成形术前后的第一批IVUS图像。

图6 Mallery和Tobis制作的早期IVUS原型

在导管尖端有镜子的超声换能器原型。声音在导管尖端的传播路径

图7 Mallery和Tobis用于产生初始IVUS图像的初始IVUS设备和设置。

导管系统的远端通过所示烧杯中的样本动脉系统。在图像左上方区域的监视器上实时生成相应的IVUS图像

Hodgson等在20世纪90年代初完成了患者中首次成功测试“相控阵”IVUS试验的结果。该相控阵设计由几个镶嵌在导管圆周上的小型换能器元件组成，按顺序激活这些元件，生成图像。OTW导管：1.83 mm (5.5 Fr)，提供360°视野，是美国批准的第一种用于冠状动脉内成像的器械。

早期IVUS系统取得了初步的成功和前景，但仍存在明显局限性（创新路径就是不断迭代的优化过程，越优秀的复杂系统，越需要优化的打磨）。痛点：导管尺寸：1.66至2.66 mm (5-8 Fr)，只能进入大血管和没有任何弯曲程度的血管；导管头端在5 ~ 8 mm的换能器元件会使操作不灵活，也限制了进入小动脉；偏心位置的导管尖端会导致管腔的明显扭曲，因此需要将导管重新定位到更同轴的位置；机械系统的手动回拉；数量有限的换能器元件，导致分辨率不佳。这最初限制了相对于机械旋转系统的假定优势。迄今为止，没有任何一种设计提供“forward looking”导管，“Ring-down”伪影常见，需要均匀旋转才能产生准确的图像。

图8 IVUS系统的早期局限性包括与理想的冠状动脉内导管置入的相关困难。导管尖端偏位需要将导管重新定位到更同轴的位置，以提高图像质量

基于既往临床痛点，科学家、医生、工程师和产业不断探索。20世纪90年代末到21世纪初出现的新一代IVUS系统。IVUS导管直径减小至0.87-1.17 mm (2.6-3.5 Fr)，允许更多地进入较小的血管和迂曲的血管。引入了更高频率的传感器，范围可达40-60 MHz (Boston Scientific, Natick, MA)，以进一步提高横向分辨率。为了可靠地测量病变长度，使用自动回撤系统，以0.25 ~ 1 mm/s的速度操作导管回撤，相控阵系统将更多的成像元件布置在环形阵列中以提高图像质量。

1998年，Endosonics公司(Rancho Cordova, CA)生产了获得FDA批准的球囊-换能器联合系统，该系统允许支架植入后立即进行IVUS成像。Yock等人开发了一种联合ivus -动脉粥样硬化切除术装置的原型，可以实时成像指引需要干预的病变。临床对易损斑块的兴趣促进了采集后图像分析的进步，从而探索了斑块成分分析的信息。例如，虚拟组织学IVUS对动脉粥样硬化斑块的不同成分进行颜色编码，通过这种方式的病变可以区分坏死核心、纤维脂肪性、纤维性或致密钙化性。

2010年以后，在国外，波士顿科学、飞利浦火山、ACIST、InfraReDx和美敦力等公司不断优化迭代新产品，陆续获得FDA批准，应用到临床，其功能远远超过早期系统（然而任何成功/成熟都需要前期不太理想的基础）。之后发展中加入AI、血流动力学参数和其他成像系统进一步高效和全方位的评价血管内影像。

下一期我们总结和回顾OCT和其他腔内影像的发展。

附：

探头式超声设备的概念可以追溯到20世纪60年代初，波兰医师Tomasz Cieszynski在波兰Wrocław进行开创性研究。他将一个基本的超声传感器安装在一个小导管上，以观察犬的心脏腔。这项研究为后来的IVUS技术奠定了基础。

1972年，Bom开始了早期的相控阵超声工作，推动了超声成像技术的发展。

20世纪80年代初，Sahn等人在亚利桑那大学首次通过超声对人类冠状动脉内解剖进行了描述。他们在冠状动脉搭桥术前使用9 MHz和12 MHz的表面超声探头扫描患者的心外膜冠状动脉。

在1980年代末到1990年代初，Paul Yock开发了第一个非商业化的IVUS系统，这个系统提供了动脉结构的初步图像。

同时期，初期的IVUS原型和系统在体内和尸体上进行了测试，推动了技术的进一步发展。

在1990年代初，Hodgson等人开发了第一个成功测试的“相控阵”IVUS系统，并在清醒患者中进行了试验。

Regulatory Approvals: Phased Array IVUS系统获得了美国FDA的批准，用于冠脉内成像，标志着该技术的临床应用。

Combined Balloon-Transducer Systems: Endosonics公司生产了唯一获得FDA批准的结合球囊和换能器的系统，使即刻进行IVUS成像成为可能。

Mid 1990s

Bom et al.'s Advanced Phased Array Catheter: Bom等人将32单元超声换能器安装到3 mm (9 Fr)导管上，开发了一种更复杂的相控阵导管。

Late 1990s - Early 2000s

Virtual Histology IVUS: 在1990年代末到2000年代初，虚拟组织学IVUS技术得到了开发，检测动脉粥样硬化斑块的不同成分。

Higher Frequency Transducers: 引入了高达40-60MHz的高频换能器，以进一步提高成像的横向分辨率。

Automated Pullback Systems: 自动回撤系统的引入提高了测量病变长度的可靠性。

2000s - Present

Optical Coherence Tomography (OCT): 进入2000年代，OCT作为IVUS的光学变体出现，提供了更高分辨率的冠状动脉病变表面分析。

Integration and Advancements: IVUS和OCT技术从研究工具逐步转变为广泛接受的临床疗法，显著改善了接受PCI患者的临床结果。

2018 年Conavi Medical 的Novasight Hybrid System获得FDA批准。

主要参考文献：