超声导管产品技术演变路径

2023-09-26 09:29
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一、初代超声导管


早在1956年,Tomasz Cieszyński教授就制造了**根超声波导管,拟用于心内检查,但他的**篇文章仅报告了体外和动物试验的结果。3年后的1959年,University of Washington的Franklin教授团队描述了一种侵入性的超声波测量方法,如下图1,但注意他们开发的超声设备并未进入心内。


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图1 整合通过降主动脉的血流以评估每搏输出量,通过安装在左室两侧的钛酸钡晶体(Barium titanate crystals)间的超声传播时间来记录左心室的直径


二、心内相控阵探头


20世纪70年代初,在超声的大发展浪潮下,荷兰 University Hospotal 'Dijkzigt' Rotterdam的 N. Bom教授等人开发了**个心内相控阵探头,如下图2。


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图2 70年代出现的**代ICE导管探头


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图3 70年代(左,32元件相控阵,5.6MHz)和90年代(右,30MHz)的两代IVUS导管及其成像对比(初代成像好玄幻)


到了1981年,美国New York University Medical Center的Ephraim Glassman教授和Itzhak Kronzon教授,**次在心内超声导管(导丝?)指导下完成了房间隔穿刺。他们使用的M-mode超声换能器宽0.2mm,直径0.5-0.75mm,7.5MHz,是偏铌酸铅或锆钛酸铅的盘状晶体,安装在同轴导线上,如下图4,能够穿过8Fr的心内导管或17号房间隔穿刺针。


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图4 传感器连接同轴导线,该导线近端配有标准连接器


三、4D ICE导管


随后,在食道超声小型化的基础上,在二维超声导管诞生后不久,即迎来了4D ICE导管。如下图5,这是个10Fr,带有64元件、6.2MHz的相控阵导管。这也是既往集成在12Fr导管(GEN I)上,或70元件、112元件换能器的优化版。


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图5 2011年,**篇4D ICE超声导管原型(GEN III)的报道,注意当年的作者中包含了GE和BW的科学家们


为了实现4D功能,研究者们开发了一个在仰角方向具有内部机械振荡/振动的一组扇形相控阵超声换能器,其中机械振荡(Mechanical oscillation)是通过将1.9mm微电机与导管头段的换能器集成来实现的。(此处的微电机是美国MicroMo Electronics公司提供的,带有gearhead,能够产生约300uN.m的峰值扭矩)换能器则是在柔性电路上制造的,声学堆栈大致位于其中心。制造换能器的两层柔性电路大约长168mm,宽2mm。虽然看描述很高大上,不过筒子们应该也猜出来了,估计是用机械扇扫来做成的大范围成像,毕竟是15年前的技术。


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图6 GEN III原型导管相控阵的设计参数


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图7 GEN III原型导管头段设计,换能器位于远端而微电机位于近段,柔性互联电路可在其下方空间内旋转


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图8 GEN III原型导管头段的分解图。(A)换能器;(B)和(C)远端和近端换能器固定装置;(D)非聚焦透镜;(E)磁铁;(F)电机和变速箱;(G)电机固定装置;(H)热敏电阻;(I)填充管;(J)通气管;(K)填充针。所有换能器和电机组件集成并密封在10-Fr的聚甲基戊烯管(L)内


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图9 对比下传统的手持超声探头的设计



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图10 GEN III导管外观和头端特写


后面有段历史相信大家也很熟悉了,反正不晓得谁离开了谁,BW和另一家联手了,GE的科学家们则在2016年发表了一篇新进展。这次的题目就起得比较实际了“4D ICE:a 2D array transducer with integrated ASIC in a 10 Fr catheter for real-time 3D intracardiac echocardiography”,ASIC-专用集成电路(Application-specific integrated circuits)。此文中的10Fr导管和GE Vivid E9超声成像系统进行联用。我们都晓得,理论上,相控阵换能器只能做一维方向的扫描,如要增加方向,那么就必须增加相控阵元,或加用机械转动,如上文。而在本文中,GE的科学家们特意又提到,当前市面上已有的,连用不同三维标测系统的AcuNAV、ViewFlex和SoundSTAR ICE导管,都是基于一维的相控阵换能器和单平面的二维成像。

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