血管內(nèi)超聲（Intravascular ultrasound，IVUS）是一種血管內(nèi)的成像方式，可用于各類介入學(xué)科，以表征病變形態(tài)、量化斑塊負(fù)荷、指導(dǎo)器械尺寸選擇、評估器械植入以及識別并發(fā)癥。IVUS作為斑塊診斷最常用的成像技術(shù)，可提供分辨率約為100微米，成像深度約為7毫米的血管橫截面結(jié)構(gòu)圖像，但無法顯示與斑塊易損性相關(guān)的微觀特征，譬如新生血管、巨噬細(xì)胞聚集和薄纖維帽等。

IVUS在經(jīng)皮冠狀動脈介入( percutaneous coronary intervention,PCI)手術(shù)中可起到重要的輔助決策作用，包括術(shù)前評估及術(shù)后優(yōu)化。PCI術(shù)前，IVUS主要用于評估斑塊性質(zhì)和特點(diǎn)，制定合適的預(yù)處理策略，測量病變長度和參考段血管直徑，選擇合適的支架直徑、長度及落腳點(diǎn)。PCI術(shù)后，IVUS主要用于明確支架的膨脹與貼壁情況以及有無支架邊緣夾層等并發(fā)癥，以有的放矢地達(dá)到PCI術(shù)后即刻結(jié)果的最優(yōu)化，研究顯示，達(dá)到IVUS下最優(yōu)化手術(shù)結(jié)果的患者的臨床預(yù)后顯著優(yōu)于未達(dá)到最優(yōu)化結(jié)果的患者，后者的預(yù)后情況與儀接受選影指導(dǎo)PCI的患者相仿，無法體現(xiàn)IVUS的優(yōu)越性。

器械構(gòu)成

IVUS系統(tǒng)一般由三個部分組成：控制臺（Console）、導(dǎo)管回撤系統(tǒng)（Automatic pullback device）和成像導(dǎo)管（Imaging catheter）。其成像原理與基于超聲的其它成像方式相同，即導(dǎo)管頭端換能器從控制臺接受電信號，通過電刺激使得換能器中的壓電晶體膨脹和收縮以產(chǎn)生高頻超聲波，隨后這些超聲波于組織界面處散射和反射，部分反射回的超聲波由換能器再轉(zhuǎn)換回電信號，最終由控制臺中的成像引擎分析處理，轉(zhuǎn)化為灰度橫截面圖像。

圖1 典型的IVUS系統(tǒng)，及其成像的示意圖

圖2 不同血管內(nèi)成像技術(shù)的比較。Intravascular optical coherence tomography，IVOCT，血管內(nèi)光學(xué)相干斷層掃描；Intravascular near-infrared fluorescence/spectroscopy，NIRF/NIRS，血管內(nèi)近紅外熒光成像；Intravascular photoacoustic，IVPA，血管內(nèi)光聲成像；Intravascular optical coherence elastography，IVOCE，血管內(nèi)光學(xué)相干彈性成像

圖3 新一代血管內(nèi)成像探頭的各類融合設(shè)計一覽

其中的IVUS導(dǎo)管，從誕生至目前，一般認(rèn)為存在兩種基本的設(shè)計：機(jī)械旋轉(zhuǎn)型和電子相控陣型。

圖4 IVUS成像導(dǎo)管的兩種類型

A，機(jī)械旋轉(zhuǎn)型；B，相控陣型

圖5 兩種類型IVUS導(dǎo)管的原理和超聲波束比較

機(jī)械旋轉(zhuǎn)型IVUS導(dǎo)管通過1800轉(zhuǎn)以上的360°旋轉(zhuǎn)獲得圖像，因此只需單個換能器組件，導(dǎo)管直徑可達(dá)非常?。ǎ?mm），較輕松地通過狹窄部位以獲得血管圖像。然而，由于其圖像是于血管內(nèi)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)中獲得的，因此可能出現(xiàn)失真，尤其是在嚴(yán)重彎曲的血管區(qū)域成像時。此外，導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)可使其自身與鞘間產(chǎn)生小氣泡，可能會干擾超聲的發(fā)射與接受，術(shù)中一般需要鹽水沖洗。與之相對應(yīng)，相控陣型IVUS導(dǎo)管的橫向波束較窄，具有良好的橫向分辨率，且沒有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的圖像失真；但其頭端設(shè)計存在一個較長的硬段（譬如7mm），且由于需設(shè)計控制每個組件的復(fù)雜系統(tǒng)，制造成本也較高。

圖6 再看一遍兩種IVUS導(dǎo)管。（a）機(jī)械旋轉(zhuǎn)型（Visions PV.35；Philips）；（b）相控陣型（AcuNav；Siemens）

圖7 兩種機(jī)械旋轉(zhuǎn)型IVUS導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通常來說，IVUS換能器需安裝于導(dǎo)管軸上，并包含在2-4Fr直徑的導(dǎo)管中，以便進(jìn)入狹窄血管，因此換能器的尺寸限制為＜1.2mm，這也意味著換能器的材料選擇極為有限。背層（backing layer）一方面能降低壓電層（Piezoelectric layer）振動，另一方面阻止從其表面反射信號

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)超聲成像對客觀和定量評估斑塊的局限性，目前有三種臨床實(shí)踐中的商用軟件，一種是虛擬組織學(xué)成像IVUS（Virtual histology，VH-IVUS）（Volcano Corporation），通過分析回波中的頻譜信號，識別不同組織的不同頻率；第二種是集成反向散射（Integrated backscatter，IB）IVUS（IB-IBUS）（YD Co,Ltd）；第三種則是基于射頻（Radiofrequency，RF）信號識別模式的組織表征系統(tǒng)iMAP-IVUS（Boston Scientific）。這三種中，誕生最早也最常用的是VH-IVUS，由于算法來自于不同的廠家，是故各自圖像中顏色代表的組織也不同，但都能幫助檢測薄帽纖維粥樣斑塊（Thin-cap fibroatheroma，TCFA），并預(yù)測患者將來是否可能發(fā)生急性冠脈綜合征。（既往曾認(rèn)為只有相控陣型導(dǎo)管能夠提供此類分析，目前機(jī)械旋轉(zhuǎn)型導(dǎo)管亦可實(shí)現(xiàn)）。

圖8 VH-IVUS原理示意圖

超聲導(dǎo)管接收到的射頻RF信號可分為不同的“頻率窗口”，將每一種信號通過復(fù)雜的算法進(jìn)行處理，隨后，將其與已知冠脈斑塊的四種主要組織類型信號輪廓數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，最后決策樹將顏色分配給相匹配的像素，并重建VH圖像。

圖9 普通與VH-、iMAP-IVUS的比較

圖10 同一冠脈部位，IB-和iMAP-IVUS獲得的典型圖像比較，其中（A）和（C）來自IB-IVUS，（B）和（D）來自iMAP-IVUS。EEM，external elastic membrane，外彈力膜；CSA，cross-sectional area，橫截面積

這里就體現(xiàn)了一個問題，不同IVUS導(dǎo)管的功率輸出和信號接收靈敏度都存在差異，既往對邊界自動化和組織表征進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的努力也未成功，因此，不同導(dǎo)管和算法系統(tǒng)對同一病變的重建可能存在差異，雖然這個差異可能并不大，如上圖10。

技術(shù)發(fā)展路徑

血管內(nèi)超聲源于腔內(nèi)超聲( intraluminal ultrasound)顯像。1956年，Cieszynski將研制的超聲導(dǎo)管用于心內(nèi)超聲測量研究，發(fā)現(xiàn)了超聲導(dǎo)管用于診斷心臟疾病的可行性”。幾年后，Kossoff研制出一種直徑為2mm，工作頻率為8MHz的超聲導(dǎo)管用于心室壁厚度的測量，精度可達(dá)到0.lmm，開啟了超聲導(dǎo)管在診斷心臟疾病上的臨床應(yīng)用5。20世紀(jì)80年代末，微型超聲換能器（超聲探頭）的發(fā)展使血管內(nèi)超聲應(yīng)用于臨床成為可能。圖6顯示了20世紀(jì)60年代到80年代出現(xiàn)過的血管內(nèi)超聲導(dǎo)管的雛形。

血管內(nèi)超聲技術(shù)未來的發(fā)展可能沿兩個方向。一是血管內(nèi)超聲系統(tǒng)本身，體現(xiàn)為更清、更快、更準(zhǔn)。“更清”指圖像質(zhì)量，波士頓科學(xué)和泰爾茂均上市了60MHz高清導(dǎo)管，國內(nèi)研發(fā)的IVUS多為50MHz，與國外相應(yīng)領(lǐng)域的進(jìn)度差距不大，但在軟件漢化及更新方面，國內(nèi)企業(yè)更具優(yōu)勢。“更快”指回撤速度，目前血管內(nèi)超生的兒個重要廠家均在做此項(xiàng)工作。“更準(zhǔn)”指軟件更加智能，包括自動管腔識別、模擬支架植入、虛擬組織學(xué)（ virlual histology ，VH)等功能的應(yīng)用。同時，超聲主機(jī)硬件將擁有更高的計算能力，更大的存儲空間，數(shù)據(jù)傳輸將更加便捷，并向無線傳輸發(fā)展。

另一個方向是血管內(nèi)超聲同其他腔內(nèi)影像的整合。目前在研究的有IVUS-OCT雙模一體化成像導(dǎo)管、IVUS-NIRS組合、血管內(nèi)光聲-超聲-OCT三模態(tài)成像系統(tǒng)等。近年來，基于AI的IVUS影像分析和FFR快速計算技術(shù)（ ultrasonic flow ratio.UFR）使得同步獲取腔內(nèi)影像學(xué)及生理學(xué)參數(shù)在未來成為可能，有望進(jìn)一步拓展IVUS的應(yīng)用場景。

作為一種血管內(nèi)診斷手段，理論上，血管相關(guān)的疾病都可以使用IVUS。然而，IVUS的成用目前主要集中于冠脈血管，其在外周血管，如下肢動脈、腎動脈上應(yīng)用較少;顱內(nèi)動脈仍是血管內(nèi)超聲的禁區(qū)。如果將來的技術(shù)進(jìn)步能夠讓超聲導(dǎo)管足夠細(xì)和柔軟，顱內(nèi)動脈或?qū)⒊蔀镮VUS下一個集中應(yīng)用的領(lǐng)域。

市場現(xiàn)狀及趨勢

中國冠脈IVUS血管內(nèi)超聲檢測系統(tǒng)2020年市場規(guī)模約13億元人民幣，營收主要包括血管內(nèi)超聲導(dǎo)管耗材及相應(yīng)的IVUS設(shè)備。截至2020年第一季度，中國市場僅有波士頓科學(xué)和飛利浦（收購火山）兩家外企產(chǎn)品銷售，波士頓科學(xué)市場占有率超過80%。

IVUS的臨床價值在全球范圍內(nèi)已經(jīng)得到了普遍認(rèn)可，美國在PCI中應(yīng)用IVUS的比例接近20%，日本達(dá)到90%，l歐洲發(fā)達(dá)國家也普遍超過15%。2019年中國以96.8萬例冠脈PCI計算，IVUS的應(yīng)用比例接近8%，浙江等省巿領(lǐng)跑全國，平均滲透率超過15%，但同時各省份之間滲透率存在明顯差異，短期內(nèi)滲透率還有較大的提升空間。

雖然IVUS圖像閱讀需要一定學(xué)習(xí)曲線，但隨著優(yōu)化PCI理念的不斷深入，國產(chǎn)IVUS的研發(fā)進(jìn)展以及具備IVUS應(yīng)用能力的醫(yī)師數(shù)量增加，中國IVUS滲透率2026年預(yù)期達(dá)到30%以上，市場規(guī)模超過50億元人民幣。