超聲導管產品技術演變路徑

2023-09-26 09:29
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一、初代超聲導管


早在1956年,Tomasz Cieszyński教授就制造了**根超聲波導管,擬用于心內檢查,但他的**篇文章僅報告了體外和動物試驗的結果。3年后的1959年,University of Washington的Franklin教授團隊描述了一種侵入性的超聲波測量方法,如下圖1,但注意他們開發的超聲設備并未進入心內。


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圖1 整合通過降主動脈的血流以評估每搏輸出量,通過安裝在左室兩側的鈦酸鋇晶體(Barium titanate crystals)間的超聲傳播時間來記錄左心室的直徑


二、心內相控陣探頭


20世紀70年代初,在超聲的大發展浪潮下,荷蘭 University Hospotal 'Dijkzigt' Rotterdam的 N. Bom教授等人開發了**個心內相控陣探頭,如下圖2。


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圖2 70年代出現的**代ICE導管探頭


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圖3 70年代(左,32元件相控陣,5.6MHz)和90年代(右,30MHz)的兩代IVUS導管及其成像對比(初代成像好玄幻)


到了1981年,美國New York University Medical Center的Ephraim Glassman教授和Itzhak Kronzon教授,**次在心內超聲導管(導絲?)指導下完成了房間隔穿刺。他們使用的M-mode超聲換能器寬0.2mm,直徑0.5-0.75mm,7.5MHz,是偏鈮酸鉛或鋯鈦酸鉛的盤狀晶體,安裝在同軸導線上,如下圖4,能夠穿過8Fr的心內導管或17號房間隔穿刺針。


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圖4 傳感器連接同軸導線,該導線近端配有標準連接器


三、4D ICE導管


隨后,在食道超聲小型化的基礎上,在二維超聲導管誕生后不久,即迎來了4D ICE導管。如下圖5,這是個10Fr,帶有64元件、6.2MHz的相控陣導管。這也是既往集成在12Fr導管(GEN I)上,或70元件、112元件換能器的優化版。


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圖5 2011年,**篇4D ICE超聲導管原型(GEN III)的報道,注意當年的作者中包含了GE和BW的科學家們


為了實現4D功能,研究者們開發了一個在仰角方向具有內部機械振蕩/振動的一組扇形相控陣超聲換能器,其中機械振蕩(Mechanical oscillation)是通過將1.9mm微電機與導管頭段的換能器集成來實現的。(此處的微電機是美國MicroMo Electronics公司提供的,帶有gearhead,能夠產生約300uN.m的峰值扭矩)換能器則是在柔性電路上制造的,聲學堆棧大致位于其中心。制造換能器的兩層柔性電路大約長168mm,寬2mm。雖然看描述很高大上,不過筒子們應該也猜出來了,估計是用機械扇掃來做成的大范圍成像,畢竟是15年前的技術。


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圖6 GEN III原型導管相控陣的設計參數


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圖7 GEN III原型導管頭段設計,換能器位于遠端而微電機位于近段,柔性互聯電路可在其下方空間內旋轉


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圖8 GEN III原型導管頭段的分解圖。(A)換能器;(B)和(C)遠端和近端換能器固定裝置;(D)非聚焦透鏡;(E)磁鐵;(F)電機和變速箱;(G)電機固定裝置;(H)熱敏電阻;(I)填充管;(J)通氣管;(K)填充針。所有換能器和電機組件集成并密封在10-Fr的聚甲基戊烯管(L)內


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圖9 對比下傳統的手持超聲探頭的設計



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圖10 GEN III導管外觀和頭端特寫


后面有段歷史相信大家也很熟悉了,反正不曉得誰離開了誰,BW和另一家聯手了,GE的科學家們則在2016年發表了一篇新進展。這次的題目就起得比較實際了“4D ICE:a 2D array transducer with integrated ASIC in a 10 Fr catheter for real-time 3D intracardiac echocardiography”,ASIC-專用集成電路(Application-specific integrated circuits)。此文中的10Fr導管和GE Vivid E9超聲成像系統進行聯用。我們都曉得,理論上,相控陣換能器只能做一維方向的掃描,如要增加方向,那么就必須增加相控陣元,或加用機械轉動,如上文。而在本文中,GE的科學家們特意又提到,當前市面上已有的,連用不同三維標測系統的AcuNAV、ViewFlex和SoundSTAR ICE導管,都是基于一維的相控陣換能器和單平面的二維成像。

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