三維超聲成像產品安全性、有效性評價思考

【摘 要】該文對三維超聲成像產品進行全面的介紹，并對其安全性、有效性的評價進行思考，從技術審評的角度提出看法，以期

對三維超聲成像產品設備注冊及技術審評有所幫助。

【文獻標志碼】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2015.05.015

收稿日期：2015-04-27

作者簡介：郭兆君，E-mail: guozj@cmde.org.cn

文章編號：1671-7104(2015)05-0358-03

Safety/ Effectiveness Evaluation Consideration of Three-Dimensional Ultrasonography Products

【 Writer 】GUO Zhaojun Center for Medical Device Evaluation, CFDA, Beijing, 100044

【 Abstract 】This article introduces three-dimensional ultrasonography products comprehensively, considers the evaluation of their safety and effectiveness and gives some opinions on technical review. It is hoped to be helpful for three-dimensional ultrasonography products registration and technical review.

【Key words 】three-dimensional ultrasonography, safety, effectiveness, technical review

人們使用醫用超聲設備獲得三維的圖像信息用于臨床診斷已有多年的歷史。隨著技術的不斷進步，三維超聲成像產品的成像方式越來越多，新產品層出不窮，也獲得了越來越廣泛的臨床應用。雖然三維超聲成像技術已出現多年，但在國際、國內尚未出臺專門的指導原則等文件，在監管上缺乏相關的借鑒資料，生產企業在申請醫療器械注冊時仍存在一定的困難。本文對目前形成產品的三維超聲成像技術進行全面的介紹，并對其安全性、有效性的評價進行思考，從技術審評的角度提出看法，以期對三維超聲成像產品注冊申請及審評相關人員有所幫助。

1　三維超聲成像產品技術特點及臨床應用簡介

三維超聲成像的基本原理為：將采集的一系列二維超聲斷面圖像用疊加的方法構成人體器官的三維圖像。按照成像實時程度不同分為靜態三維超聲成像和實時三維超聲成像 (也稱為“四維超聲成像”)。

1.1 靜態三維超聲成像

靜態三維超聲成像是一種非實時的三維超聲成像，采集一個三維圖像(數據)需幾秒鐘或幾分鐘時間，可用于活動性不高的人體組織的臨床檢查。在掃查之前，事先規定好探頭的移動軌跡，掃查過程中記錄二維圖像和每幅圖像的幾何位置，將這些信息存入超聲診斷儀或外部計算機系統，然后由相應的軟件重構獲得三維圖像。根據夾持探頭的方式不同，主要分為自由臂三維超聲成像和機械定位三維超聲成像。

自由臂探頭是由醫生手動按計劃的軌跡移動探頭，可以利用位置傳感器記錄每幅圖像的幾何位置，也可以僅僅假設探頭做均勻、平穩地運動，根據移動的距離和花費的時間來估計出二維平面的間隔。通常用于軀干、肢體淺表較大區域組織的成像，如較長的肌肉、脊柱外側等。不使用位置傳感器的成像方式由于不能準確地給出每幅圖像的幾何位置，獲得的三維圖像在與二維圖像平面垂直方向上有失真，只能大致地指示人體內部的結構。雖然有些廠家的產品可以通過二維圖像中斑點模式和圖像特征的相關分析來跟蹤探頭的移動，獲得更為準確的結果，但是臨床上仍然不能用來做準確的測量。利用位置傳感器的自由臂成像功能可以獲得更為準確的結果，但這類產品受成本和臨床應用范圍的限制，在臨床上很少見。

近些年比較熱門的是用于乳腺的三維成像設備。機械裝置帶動一個寬達20 cm的線陣超聲探頭，沿著乳腺表面做直線運動，一次性獲得雙側乳腺的多幅二維圖像，再將存儲的二維圖像進行三維建模，獲得乳腺的三維圖像。

還有一種全息超聲成像技術，也可以獲得非實時的三維圖像，用于乳腺的三維成像。一般的超聲成像是利用超聲傳播過程中遇到不同介質界面時發生反射的回波信號成像，而全息超聲成像技術利用的是兩束傳播方向成夾角的透射超聲束的相干作用，對乳腺逐層進行成像，然后利用類似激光全息的方法重建三維圖像。這類產品很少見，國內尚未有產品上市。

1.2 實時三維超聲成像

實時三維超聲成像1 s可采集幾個到幾十個三維圖像，實時地顯示人體結構，可用于活動性較高的人體組織（例如心臟、胎兒等）的臨床檢查。根據探頭分為機械掃查實時三維超聲成像和電子掃查實時三維超聲成像。

機械掃查實時三維超聲成像，是由馬達驅動的旋轉機構帶動二維B超探頭以一個轉軸為中心擺動，將采集的一系列二維斷面圖像數據和相應的間隔角度數據(斷面間的間隔通常不等同)組成一個三維圖像數據，系統后端做三維重建。不斷重復，從而得到實時更新的三維圖像。此類產品是目前市場上三維超聲成像的主流產品，很多國產和進口企業的影像型超聲診斷設備都具有該功能。相比實時電子掃查的實時三維超聲成像，機械掃查實時三維超聲成像由于受到機械結構擺動速度的限制，其體數據幀頻較低，不能很好地用于對幀頻要求高的應用（如心臟實時三維成像）。普遍用于產科胎兒的三維成像，性能比較好的產品可以清晰的呈現胎兒的解剖結構，具有較高的診斷價值，而性能較差的產品，通常僅用于胎兒面部輪廓成像，可用于唇腭裂的診斷。有一些產品利用心率門控功能將多個心跳周期采集到的圖像整合到一個心跳周期內以獲得實時性較好的心臟三維圖像，但是僅適用于跳動相對規律的心臟，適用范圍受限。

電子掃查實時三維超聲成像，是用二維面陣探頭，也就是用二維相控陣實現聲束在空間的偏轉，直接采集三維數據。通常二維面陣探頭由幾十乘幾十個陣元或幾十乘上百個陣元組成二維陣列。由于沒有機械旋轉機構擺動速度的限制，可實現更高的圖像更新頻率。該功能由于體數據幀頻高，可以用于心臟成像。技術門檻高，目前僅有幾家進口大公司有相關的產品上市。

2　三維超聲成像功能安全性、有效性的實驗室評價

2.1 安全性評價

三維超聲成像功能的安全性評價主要考慮電氣安全、聲能安全和生物相容性。

電氣安全主要是考慮相關安全標準的符合性，包括GB 9706.1—2007《醫用電氣設備 第1部分：安全通用要求》 [1]、GB 9706.9—2008《醫用電氣設備 第2-37部分：超聲診斷和監護設備安全專用要求》 [2]和YY 0505—2012《醫用電氣設備 第1-2部分:安全通用要求并列標準:電磁兼容要求和試驗》 [3]。

聲能安全按照國際電工委員會（以下簡稱IEC）的思路，主要是考慮聲參數公布和實時的指數（機械指數MI、熱指數TI）公布，以向使用者告知設備可能產生的最高聲能數值并實時顯示當前可能產生的機械效應、熱效應情況，提醒使用者在確保滿足臨床要求的基礎上盡可能地使用最低的聲能。美國食品藥品監督管理局(FDA)在2008年發布的《診斷類超聲系統及探頭上市申請指南》(Information for Manufacturers Seeking Marketing Clearance of Diagnostic Ultrasound Systems and Transducers)中對于設備的聲能輻射規定了限值 [4]，普遍被采用的是TRACK 3的要求，即MI指數不超過1.9，I spta.3指數不超過720 mW/cm 2。目前此要求已在國際上被廣泛采納，產品在美國、歐盟、韓國、日本上市申請時，均需要滿足聲能限值的要求。我國食品藥品監督管理局2010年發布的《影像型超聲診斷設備(第三類)產品注冊技術審查指導原則》沒有對聲能的限值進行要求 [5]，主要沿用了IEC的思路。但目前技術審評中，已經開始對聲能的限值進行考慮，主要考察說明書中公布的情況。

生物相容性主要是采用標準GB/T 16886—2011《醫療器械生物學評價 第1部分：評價與試驗》的評價思路，結合產品預期接觸的患者部位（皮膚、粘膜等）對產品進行生物學評價 [6]。對于使用護套的產品，由于不與患者發生接觸，可以認為沒有生物相容性方面的風險。而不使用護套的產品，雖然在接觸患者時使用耦合劑，但仍然不能避免與患者接觸的可能，所以仍需要進行生物相容性評價。

2.2 有效性評價

三維超聲成像功能的有效性評價主要分兩部分：二維圖像的質量評價和三維圖像的質量評價。

由于三維成像功能有些是由二維圖像構建獲得三維圖像，雖然有些體數據直接獲得，但是也同時給出互相垂直的三個方向切面的二維圖像，還有些在獲得三維數據之后，可提供任意切面的二維圖像，所以應對三維超聲成像功能提供的二維圖像的有效性進行評價。主要是參照GB 10152—2009《B型超聲診斷設備》 [7]的要求及YY 0767—2009《超聲彩色血流成像系統》 [8]的要求，包括工作頻率、盲區、探測深度、分辨力（側向、軸向）、幾何位置精度、血流探測深度、血流速度測量精度等指標。

三維圖像質量的評價，對于不使用位置傳感器的自由臂三維超聲成像設備無特殊的技術參數要求，主要考慮其三維圖像只是給出大概的輪廓，并不是準確的圖像，其臨床應用也不對三維圖像的準確性有太多的要求。其他的三維超聲成像設備的實驗室有效性評價，主要考慮以下參數的測量：探測深度、盲區、分辨力、幾何位置精度、體積測量。區別于二維圖像的評價，這些參數都是指三維圖像的性能指標，是在獲得的三維圖像基礎上的檢測。其中分辨力，由于原理的限制，除二維面陣探頭的實時三維成像功能外，其他功能的C平面（即與聲束傳播方向垂直平面）圖像通常圖像質量較差，預期不用于臨床診斷，對于這些功能的C平面圖像，不對分辨力做要求。探測深度、盲區、分辨力、幾何位置精度和體積測量可參照標準YY/T 1279—2015《三維超聲成像性能試驗方法》的實驗方法 [9]。

體數據幀頻是反應三維超聲成像實時性的重要指標，對于實時三維超聲成像功能的評價具有重要的意義。但對于同一臺設備，體數據幀頻與成像體積大小、圖像的分辨力要求等參數密切相關，成像體積越小、圖像分辨力要求越低，體數據幀頻就越高。目前體數據幀頻測量的實驗方法很難在廠家之間達成共識，而在實驗方法不統一的情況下，單純盲目地追求體數據幀頻，并不是一個科學的做法。所以在有通用的實驗方法、測量體模出現之前，對體數據幀頻要求實驗室測量，可能會帶來很多問題。

3　三維超聲成像功能的臨床評價

根據《免于進行臨床試驗的第二類醫療器械目錄》 [10]和《免于進行臨床試驗的第三類醫療器械目錄》 [11](以下合稱《目錄》)，滿足《目錄》中描述的用于腹部器官和部分淺表組織器官成像的II類超聲脈沖回波成像設備可免于臨床試驗。對于這類產品，按照《醫療器械臨床評價技術指導原則（征求意見稿）》 [12]（以下簡稱“征求意見稿”）的思路，臨床評價資料可提交申報產品相關信息與《目錄》所述內容的對比資料和申報產品與已獲準境內注冊上市同品種醫療器械的對比說明。其它三維成像產品未包含在《目錄》中，不能直接豁免臨床試驗。

大部分的三維超聲成像產品已有大量同品種產品上市，也已積累了很多的臨床數據，按征求意見稿的思路，可以對同品種醫療器械臨床試驗或臨床使用獲得的數據進行分析評價。

對于沒有已獲準境內注冊上市同品種醫療器械的比較少見的產品，如全息超聲成像設備，或與已上市同品種產品差異較大的設備，如采用新的二維面陣探頭的設備，按照征求意見稿的思路，應考慮進行臨床試驗。臨床試驗可借鑒《影像型超聲診斷設備（第三類）產品注冊技術審查指導原則》的思路進行。

4　結語

三維超聲成像產品種類多、臨床應用范圍廣，是影像型超聲診斷設備中重要的功能之一。其實驗室驗證主要考慮電氣安全、聲能安全、生物相容性和性能指標四個方面，對于不同的技術、不同的臨床應用，其實驗室驗證要求應有所區別。臨床評價應根據產品情況進行區分，有的僅需要對《目錄》和同品種器械進行對比，有的可對同品種器械的已有數據進行評價，有的需要進行臨床試驗。