多種類型的導(dǎo)管和鞘是神經(jīng)介入醫(yī)生常用的器械，然而講解器械構(gòu)造基本概念的資源卻非常有限。隨著一些特殊器械如遠(yuǎn)端通路導(dǎo)管的設(shè)計(jì)和制作工藝越來越先進(jìn)，這種資源匱乏越來越嚴(yán)重。雖然術(shù)者對(duì)這些器械的操作性能，包括一些重要的特征如近端支撐，遠(yuǎn)端可追蹤能力和管腔大小等情況了然于胸，但是對(duì)于大多數(shù)臨床醫(yī)生來說，工程師是如何實(shí)現(xiàn)這些性能參數(shù)的仍是一個(gè)謎。在這篇入門級(jí)的文章中，我們將向介入醫(yī)生介紹導(dǎo)管設(shè)計(jì)和制造的基本概念。
一、導(dǎo)管是如何制造的？
導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的基本概念已經(jīng)相對(duì)完善。簡(jiǎn)而言之，導(dǎo)管必須做到以下幾點(diǎn)：
大到足以容納介入器械和/對(duì)比劑注射；
小到足以容納標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)脈通路鞘；
硬到足以提供近端支持；
軟到足以通過迂曲的血管向遠(yuǎn)端延伸，同時(shí)做到耐扭結(jié)；
內(nèi)腔潤(rùn)滑以便于器械通過；
外表面潤(rùn)滑以方便輸送。
為了實(shí)現(xiàn)這些特性，基本的構(gòu)造模式包括四個(gè)元素：
薄且滑的內(nèi)襯——典型的聚四氟乙烯（PTFE）涂層；
支撐骨架，通常由金屬材料制成；
聚合物外管；
親水性涂層，僅限于器械的遠(yuǎn)端段。
這些元素的結(jié)構(gòu)、材料、厚度、模型和范圍都是根據(jù)臨床需求進(jìn)行定制的，從而實(shí)現(xiàn)器械遠(yuǎn)端顯影和良好通過性。
制造過程
圖1：現(xiàn)代神經(jīng)血管導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)。
1、潤(rùn)滑的內(nèi)襯
首先將潤(rùn)滑的內(nèi)襯（通常是PTFE）放置在非常堅(jiān)硬的芯軸（如果是金屬）或芯（如果是非金屬）上。非金屬芯是軟器械的首選，為了降低器械的損壞率，軟器械需要從芯中向外伸展而不是簡(jiǎn)單地從金屬芯軸上拉出。潤(rùn)滑芯的預(yù)期特性包括高潤(rùn)滑性，超薄結(jié)構(gòu)和耐用性，以避免器械輸送過程中的損壞。為此，聚四氟乙烯是目前導(dǎo)管結(jié)構(gòu)中最常用的內(nèi)襯材料。根據(jù)導(dǎo)管內(nèi)徑其厚度范圍為0.0004英寸到0.001英寸。
2、支撐骨架
相較于可選性較為單一的內(nèi)襯，支撐骨架在類型、模型、材料和加工方面有無(wú)數(shù)選擇。金屬材料主要包括相對(duì)便宜的不銹鋼，以及具備形狀記憶優(yōu)點(diǎn)的鎳鈦合金。然而，對(duì)于任何一種材料，構(gòu)造模式都是高度可變的。通常，金屬絲以線圈或編織或兩者均存在的形式應(yīng)用于內(nèi)襯。這些金屬絲可以是圓形或扁平的，大多數(shù)神經(jīng)血管應(yīng)用的尺寸在0.001英寸-0.004英寸。圖2展示了裸芯和帶有金屬編織層以及PTFE內(nèi)襯的芯。
圖2. 裸芯 (A) 和帶有PTFE襯里及金屬編織層的芯 (B) 示例。
線圈的形式是大家最為喜愛的，因?yàn)槠鋬?yōu)良的緊箍強(qiáng)度，可避免發(fā)生扭曲變形。線圈性能的設(shè)計(jì)特征包括線徑/厚度，較大的直徑可提供更高的硬度和抗扭結(jié)性，但也會(huì)因此限制遠(yuǎn)端的柔軟度。
沿著導(dǎo)管的長(zhǎng)軸可以使用多種不同的線圈，因?yàn)椴煌€圈之間的連接非常簡(jiǎn)單。螺距（或稱為線圈纏繞之間的距離），可以顯著影響硬度、抗扭結(jié)性和可推送性，較寬的螺距可提供更好的柔軟度，但會(huì)增加扭結(jié)風(fēng)險(xiǎn)并降低可推送性。
編織支撐可以實(shí)現(xiàn)出色的硬度，并且與線圈相比具有很高的可推送性，但容易發(fā)生扭結(jié)現(xiàn)象。編織設(shè)計(jì)包含許多特征，如金屬絲數(shù)量、單或雙“起始”編織、編織形式，以及在單個(gè)編織形式中使用多種不同類型的金屬絲。與線圈不同，編織支撐相對(duì)難以在導(dǎo)管構(gòu)建的中間終止。編織性能的主要驅(qū)動(dòng)因素是金屬密度（每英寸編織數(shù)，PPI），PPI越高，通常會(huì)增加抗扭結(jié)性和柔軟性。然而，整個(gè)PPI范圍內(nèi)的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，較高的PPI會(huì)使得柔軟度提高，但在極端情況下也會(huì)變得僵硬。
與線圈一樣，金屬絲的直徑是決定硬度的主要因素。編織也可以決定導(dǎo)管的性能，隨著編織角度的減小，金屬絲的方向變得更加平行于縱軸，這顯著增加了導(dǎo)管的可推送性。另一方面，較高的編織角度意味著金屬絲的方向垂直于縱軸。 因此，隨著編織角度的增加，編織結(jié)構(gòu)變得更類似于線圈。
3、聚合物外管
在添加增強(qiáng)材料（線圈、編織物或兩者兼有）后，還需將聚合物保護(hù)套材料放置到導(dǎo)管軸上。這種聚合物材料包含不透射線的金屬填充物（通常為鉍、鎢或鋇）以增加其不透射線性。聚醚嵌段酰胺 (PEBA) 和尼龍是最常用的聚合物。尼龍因其強(qiáng)度高而被青睞。另一方面，PEBA是一種較軟的聚合物，可以用尼龍進(jìn)行改性，以綜合聚氨酯的柔韌性和尼龍的強(qiáng)度。制造商可以通過調(diào)整PEBA混合物中尼龍含量的比例，控制導(dǎo)管的柔韌性和硬度。因此，PEBA是神經(jīng)血管導(dǎo)管設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。
4、親水性涂層
最后一步是將導(dǎo)管浸入基于聚氨酯的親水涂層溶液中并以已知速度抽出。接下來，親水涂層用熱或紫外線固化。可能需要多次浸漬才能達(dá)到所需的涂層厚度。
二、產(chǎn)品質(zhì)控
導(dǎo)管的質(zhì)量受多種過程機(jī)制控制。首先是用來指導(dǎo)每個(gè)單獨(dú)產(chǎn)品生產(chǎn)步驟的“生產(chǎn)過程文件”，該文件詳細(xì)說明了制造步驟，在關(guān)鍵步驟通過檢查篩選出存在缺陷的產(chǎn)品，并使用三軸千分尺測(cè)量外徑等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行最終檢查。未被檢驗(yàn)的器械特征通過過程驗(yàn)證對(duì)輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證。我們以親水涂層長(zhǎng)度為例，將紫色染料（甲苯胺藍(lán)）應(yīng)用于成品導(dǎo)管，該染料通常只與清晰的親水性涂層結(jié)合，從而使其能夠被測(cè)量。基于質(zhì)控要求確定一個(gè)合適的導(dǎo)管樣本量，以驗(yàn)證涂層工藝是否生成了符合標(biāo)準(zhǔn)的涂層長(zhǎng)度。
美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求對(duì)半成品和成品醫(yī)療器械進(jìn)行質(zhì)量控制，每個(gè)導(dǎo)管制造商都采用不同的嚴(yán)格質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)來限制臨床工作中的器械故障。然而，重要的是應(yīng)注意這些質(zhì)量控制步驟并不能完全防止導(dǎo)管故障和相關(guān)不良事件的發(fā)生。例如，目前在FDA的制造商和用戶設(shè)施設(shè)備體驗(yàn)（MAUDE）數(shù)據(jù)庫(kù)中報(bào)告了1000多例再灌注導(dǎo)管發(fā)生故障，這些故障中約有10%與臨床不良事件有關(guān)。還有一些已發(fā)表的案例研究表明，手術(shù)過程中導(dǎo)管尖端膨脹和破裂會(huì)導(dǎo)致永久性神經(jīng)功能缺損和死亡。因此，上市后監(jiān)督也是最重要的質(zhì)量控制步驟之一。
三、導(dǎo)管的力學(xué)性質(zhì)
硬度計(jì)刻度
硬度計(jì)刻度是彈性體硬度的量度，目前已被醫(yī)療導(dǎo)管工程師廣泛用作比較不同聚合物柔韌性的替代指標(biāo)。在此刻度中，數(shù)值較高表示材料較硬，柔韌性較低。另一方面，彎曲模量是材料彎曲傾向的量度。一般來說，材料的硬度和彎曲模量之間存在相關(guān)性。然而，硬度計(jì)仍然是柔韌性的間接量度，因此，較軟的硬度計(jì)刻度并不總是意味著更好的柔韌性。此外，硬度計(jì)刻度與其他導(dǎo)管性能指標(biāo)（例如抗扭結(jié)性、扭轉(zhuǎn)性和推動(dòng)性）的相關(guān)性不高。
歐拉-伯努利梁方程
與懸臂梁類似，血管內(nèi)導(dǎo)管僅在一端（近端；導(dǎo)管鞘）固定和支撐，另一端游離。因此，各向同性材料的歐拉-伯努利光束方程也可用于比較導(dǎo)管的機(jī)械性能。與硬度計(jì)刻度相反，這些方程式使用特定材料的模量值，因此可以更準(zhǔn)確地估計(jì)導(dǎo)管的機(jī)械性能，包括抗扭結(jié)性和大小特定的剛度值（軸向、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度）。
彎曲剛度
導(dǎo)管的彎曲剛度（或彎曲剛度）是指彎曲導(dǎo)管所需的力偶。血管壁在血管彎曲處對(duì)導(dǎo)管的長(zhǎng)軸施加垂直力。如果這個(gè)力克服了導(dǎo)管材料的抗彎剛度，導(dǎo)管就會(huì)彎曲并適應(yīng)血管曲率。然而，如果抗彎剛度太高，或者換句話說，導(dǎo)管難以彎曲，則該力會(huì)對(duì)血管壁造成巨大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致夾層或血管破裂。因此，在神經(jīng)血管導(dǎo)管設(shè)計(jì)中需要低抗彎剛度。對(duì)于由均質(zhì)和各向同性材料組成的導(dǎo)管，可以使用以下公式計(jì)算抗彎剛度：
E=導(dǎo)管材料彈性模量、D=導(dǎo)管外徑、d=導(dǎo)管內(nèi)徑。
軸向剛度和屈曲力
軸向剛度是指產(chǎn)生軸向偏轉(zhuǎn)所需的力。在導(dǎo)管設(shè)計(jì)應(yīng)用中，軸向剛度通常使用歐拉屈曲公式來測(cè)量。在血管彎曲處，例如髂分叉或主動(dòng)脈弓，血管壁對(duì)導(dǎo)管的遠(yuǎn)端施加軸向力，并沿其長(zhǎng)軸壓迫導(dǎo)管。如果彎曲導(dǎo)管所需的力（臨界屈曲力）較低，則導(dǎo)管很容易適應(yīng)血管曲率。然而，如果臨界屈曲力很高，則血管壁無(wú)法使遠(yuǎn)端尖端偏轉(zhuǎn)，隨后的推動(dòng)嘗試可能會(huì)導(dǎo)致血管破裂。因此，在導(dǎo)管設(shè)計(jì)中首選具有低軸向剛度的材料。
對(duì)于由均質(zhì)和各向同性材料組成的導(dǎo)管，可以使用歐拉屈曲公式計(jì)算屈曲力：
E=導(dǎo)管材料彈性模量、D=導(dǎo)管外徑、d=導(dǎo)管內(nèi)徑、β=加緊系數(shù)、l=導(dǎo)管長(zhǎng)度。
扭轉(zhuǎn)剛度
扭轉(zhuǎn)剛度是指彈性體對(duì)沿其旋轉(zhuǎn)軸的角扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的抵抗力。導(dǎo)管的可扭轉(zhuǎn)性和彈性體的扭轉(zhuǎn)剛度之間有很強(qiáng)的關(guān)系。隨著扭轉(zhuǎn)剛度的增加，近端操作會(huì)更容易傳遞到遠(yuǎn)端。此外，施加的力會(huì)導(dǎo)致更小的遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)，同時(shí)增加抗扭剛度，這提供了更精確的導(dǎo)管控制。扭轉(zhuǎn)剛度可以用兩個(gè)基于遠(yuǎn)端力矩或模量和壁厚的公式來測(cè)量：
G=導(dǎo)管材料的剛性剪切模量、D=導(dǎo)管外徑、d=導(dǎo)管內(nèi)徑、l=導(dǎo)管長(zhǎng)度、Mt=扭曲的瞬間、φ=扭曲的角度。
扭結(jié)
增加彎曲運(yùn)動(dòng)會(huì)減小導(dǎo)管的曲率半徑。導(dǎo)管在達(dá)到臨界曲率半徑后扭結(jié)，其管腔將被堵塞。
我們可以用以下公式計(jì)算臨界曲率半徑：
r=導(dǎo)管外徑、t=管壁厚度、v=泊松比例、K=材料的扭結(jié)常數(shù)。
四、設(shè)計(jì)特點(diǎn)與性能的關(guān)系
根據(jù)上面列出的公式，可以在構(gòu)建之前收集到相對(duì)簡(jiǎn)單的物理關(guān)系。需要注意的是，彎曲剛度和屈曲力等特性與外徑的四次方有關(guān)，這意味著要實(shí)現(xiàn)大直徑器械所需的柔軟度比較困難，而小直徑器械的高剛度同樣很難實(shí)現(xiàn)。表1總結(jié)了器械設(shè)計(jì)特性和性能指標(biāo)之間的關(guān)系。
總的來說，在保持所有其他特征不變的情況下，以下關(guān)系是顯而易見的：
表1
扭結(jié)阻力
較低的硬度、較厚的外管、較小的內(nèi)徑（ID）、較厚的導(dǎo)管壁和較厚的線圈/編織線可提供更好的抗扭結(jié)性。此外，鎳鈦金屬絲比不銹鋼金屬絲更耐扭結(jié)。
剛度和可塑性
剛度和扭轉(zhuǎn)能力隨著壁厚的四次方而增加。此外，更小的內(nèi)徑、更厚和更高硬度的外管是增加剛度和扭矩能力的特征。線圈和編織設(shè)計(jì)以及金屬絲特征會(huì)影響導(dǎo)管的剛度和扭矩能力。不銹鋼金屬絲比鎳鈦金屬絲更硬，可提供更好的扭矩。此外，與線圈相比，編織設(shè)計(jì)提供了更好的剛度和扭矩控制。
聚合物的剛度和彈性模量之間存在恒定關(guān)系（G/E：0.4-0.5）。因此，使用傳統(tǒng)的導(dǎo)管設(shè)計(jì)策略去實(shí)現(xiàn)低抗彎剛度和高扭矩能力是不可行的。出于這個(gè)原因，我們?nèi)匀粵]有一個(gè)完美的導(dǎo)管，并且我們需要根據(jù)導(dǎo)管的特定性能要求來設(shè)計(jì)導(dǎo)管。例如，高扭矩性對(duì)于診斷導(dǎo)管來說是實(shí)現(xiàn)選擇性血管插管的必要條件。然而，可扭轉(zhuǎn)性伴隨著高彎曲剛度，這解釋了為什么我們可以將8F抽吸導(dǎo)管推進(jìn)到大腦中動(dòng)脈，但不能將4F診斷導(dǎo)管推進(jìn)到遠(yuǎn)端頸內(nèi)動(dòng)脈顱外段。
五、不同的導(dǎo)管性能要求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)
導(dǎo)引導(dǎo)管
導(dǎo)引導(dǎo)管用于為遠(yuǎn)端通路提供支撐。理想的導(dǎo)引導(dǎo)管在推送時(shí)不應(yīng)反沖入主動(dòng)脈，并且需要提供穩(wěn)定的支撐平臺(tái)。因此，剛度對(duì)于導(dǎo)引導(dǎo)管至關(guān)重要。不銹鋼金屬絲的硬度是鎳鈦合金的五倍，編織設(shè)計(jì)提供的剛度明顯優(yōu)于線圈。因此，設(shè)計(jì)制造商通常更喜歡不銹鋼編織物。此外，通常采用更硬的外管，例如尼龍和高硬度PEBA。
微導(dǎo)管
到達(dá)遠(yuǎn)端小口徑血管需要先進(jìn)的工程應(yīng)用和復(fù)雜的設(shè)計(jì)。制造商通常采用混合編織物/線圈設(shè)計(jì)，沿微導(dǎo)管具有不同的間距和PPI值。通常，近端使用不銹鋼編織物來提供支撐和扭轉(zhuǎn)能力；遠(yuǎn)端首選緊密的線圈，以便通過曲折的血管解剖實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)備跟蹤能力。此外，使用較軟的聚合物（例如低硬度PEBA）外管可以防止血管損傷。
診斷導(dǎo)管
診斷導(dǎo)管主要用于選擇性近端血管插管。因此，可扭轉(zhuǎn)性和精確控制對(duì)于診斷導(dǎo)管來說是必不可少的。由于可扭轉(zhuǎn)性和剛度密切相關(guān)，因此制造商在設(shè)計(jì)中通常更喜歡更硬的材料，例如不銹鋼編織層和尼龍外護(hù)套。然而，可扭轉(zhuǎn)性伴隨著剛度的增加，導(dǎo)致其在遠(yuǎn)端曲折的血管系統(tǒng)中使用診斷導(dǎo)管非常困難。
遠(yuǎn)端通路和抽吸導(dǎo)管
抽吸流量隨著內(nèi)徑的四次方增加。因此，薄壁和較大的內(nèi)徑是理想的抽吸導(dǎo)管設(shè)計(jì)。 然而，通過曲折的顱內(nèi)血管推進(jìn)大口徑導(dǎo)管肯定不是沒有風(fēng)險(xiǎn)的。因此，靈活性在大口徑遠(yuǎn)端通路或抽吸導(dǎo)管設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。一方面，在提供一定程度的靈活性的同時(shí)，導(dǎo)管的骨架還應(yīng)該足夠堅(jiān)固，以防止導(dǎo)管在負(fù)壓下塌陷。此外，在這些導(dǎo)管的遠(yuǎn)端較軟部分保持可推動(dòng)性存在一定挑戰(zhàn)。因此，抽吸導(dǎo)管設(shè)計(jì)是醫(yī)療器械工程中最復(fù)雜的領(lǐng)域之一。
制造商幾乎總是使用混合編織和線圈設(shè)計(jì)的大孔導(dǎo)管。像微導(dǎo)管一樣，編織技術(shù)幾乎用于支撐，遠(yuǎn)端線圈用于更好的器械可跟蹤性和箍緊強(qiáng)度（在負(fù)壓下不塌陷）。然而，與微導(dǎo)管設(shè)計(jì)形成對(duì)比的是，不銹鋼鋼金屬絲并不占主導(dǎo)地位。鎳鈦合金金屬絲提供更好的形狀記憶和抗扭結(jié)性，可能會(huì)降低主動(dòng)脈的反沖并在血管彎曲處提供更好的可推動(dòng)性。因此，不銹鋼鋼金屬絲和鎳鈦合金金屬絲在大口徑導(dǎo)管設(shè)計(jì)中同樣深受歡迎。此外，較軟的包被更適合大口徑導(dǎo)管，幾乎每個(gè)制造商都使用柔韌性更佳的PEBA聚合物。
展望
神經(jīng)血管導(dǎo)管技術(shù)一直在快速發(fā)展。最近，一些內(nèi)徑介于0.088和0.096英寸之間的超大口徑器械已進(jìn)入市場(chǎng)，初步臨床研究結(jié)果支持其安全性和有效性。此外，人們對(duì)使用可操縱微導(dǎo)管的興趣越來越大，最近，F(xiàn)DA首次批準(zhǔn)在神經(jīng)介入手術(shù)中使用可操縱微導(dǎo)管。還有振奮人心的新技術(shù)即將出現(xiàn)，例如可操縱的磁導(dǎo)管。有了這項(xiàng)技術(shù)，計(jì)算機(jī)生成的磁場(chǎng)可用于導(dǎo)引導(dǎo)管并控制其遠(yuǎn)端。這可能是遙控神經(jīng)介入手術(shù)的一個(gè)重要里程碑。
結(jié)論
每個(gè)導(dǎo)管都有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，因此具有不同的優(yōu)點(diǎn)和局限性。通常，介入醫(yī)生通過臨床實(shí)踐來加深他們對(duì)導(dǎo)管性能的了解。盡管這始終是最可靠的方法，但它也有一些局限性。市場(chǎng)上有各種各樣的導(dǎo)管，通過臨床實(shí)踐全面了解所有導(dǎo)管是不切實(shí)際的。然而，至少獲得導(dǎo)管設(shè)計(jì)的基本知識(shí)可以深入了解導(dǎo)管的潛在臨床性能特征。因此，我們建議其他介入醫(yī)師在臨床實(shí)踐中注意導(dǎo)管設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并權(quán)衡臨床性能和導(dǎo)管設(shè)計(jì)特點(diǎn)。只有這樣，介入醫(yī)生才能夠在一開始選擇更合適的器械，并降低與器械相關(guān)的并發(fā)癥和手術(shù)時(shí)間。
