一種7.5F自研心腔內超聲動物實驗

馮文慧，何精才，曹琴，周欣歡

深圳心寰科技有限公司，廣東 深圳 518101

引言

微創導管介入是當前臨床一線的心臟疾病手術治療工具。隨著心臟介入手術過程的復雜化，精準術中引導對于優化臨床手術效果、降低并發癥具有重要意義。心腔內超聲（Intracardiac Echocardiography，ICE）是當前臨床上常用的心臟介入手術引導設備，往往經股靜脈穿刺進入右心房，并通過打彎和旋轉等操作調整成像視野、選擇待觀測切面。ICE 通過對多種不同心內手術進行術中引導和監控，能降低并發癥、提高手術效率和安全性，顯著降低X 射線的使用頻次。相比于食道超聲，ICE 無食道損傷等并發癥，無需全麻，因此可以降低心內科手術對麻醉科的依賴[1]。

當前臨床上使用的ICE 產品一般在8F～10F，大多數商業化ICE 導管通過在可調彎導管頭端集成微型相控陣超聲探頭，獲得B 模式、多普勒和彩色血流模式圖像，實現大成像深度（高達16 cm）、寬視野（90°）的心內結構和功能成像。更細導管尺寸通常具有更顯著的臨床意義：① 大多數先天性心臟病患者通常在未成年時進行手術，未成年人心臟和血管結構較小，更細導管具有更小的穿刺損傷和更低的并發癥可能；② 在左心系統的一些手術如左心耳封堵、二尖瓣手術中，ICE 常常需要通過房間隔穿刺由右心房進入左心系統，從而近距離對左心系統內手術進行導管位置和結構反饋并提供實時引導。當前臨床上使用的房間隔穿刺鞘大部分為8.5F，8.5F以內的ICE 導管可借助穿刺鞘進入左房，降低房間隔穿刺難度。

然而，開發更細的ICE 導管具有極高的技術和工藝難度，多容易導致圖像質量如靈敏度、分辨率等降低。因此，本文旨在開發一款7.5F 相控陣2D ICE，解決ICE 導管難以進入左心房的臨床難題，并進行超聲探頭回波測試、超聲體模和動物實驗，驗證其回波性能和圖像質量。

1 材料與方法

研究開發一款7.5F 相控陣2D ICE 系統，包括便攜式彩超主機、連接器和ICE 導管。本項目自研導管介入端長度為90 cm，導管遠端具有四向可調彎功能，其單向調彎角度≥160°。同時，手柄采用自鎖手柄結構，通過摩擦力進行調彎角度鎖定，實現術者單手調彎，便于臨床操作。

為驗證該系統的聲學性能和圖像性能，本研究進行3 部分測試：① 搭建聲學回波測試系統和平臺，進行聲學回波測試；② 標準超聲體模測試；③ 巴馬豬在體動物測試。

2 成像系統和測試系統

2.1 成像系統

本文所開發的64 通道便攜式彩超主機能夠實現基波成像、二次諧波成像和多普勒血流成像。該便攜式超聲系統可支持相控陣和線陣探頭，在相控陣工作模式下，該系統能以三態電平發射，實現多波束數據采集和高幀頻成像。

本研究中的7.5F 使用一次性ICE 介入導管（AgileView，深圳心寰科技有限公司），包含64 通道超聲陣元，橫向尺寸約為強生10F SoundStar ICE 換能器的50%，中心頻率為6.5 MHz。本文使用的導管由多種不同硬度的中空Pebax 多腔管拼接而成，導管硬度從遠端到近端逐漸增大，以保證良好的推送性和安全性。導管管壁分布四根牽引絲以90°沿導管平行放置，手柄操作時，通過牽引拉絲實現對導管的調彎操作。Pebax 管的中空腔內容納相控陣超聲換能器和超聲線纜，實現到連接器和超聲主機的電氣連接。

2.2 回波測試系統

為了測試換能器和線纜，本文設計一套換能器脈沖回波測試系統和軟件（圖1）。其中，脈沖發生器采用JSR DPR300（Imaginant Inc，美國），可在服務器的控制下發出脈沖激勵。自研多通道切換板卡能夠在64 個換能器通道中依次進行自動選擇和通道切換。位于水槽中且浸泡在水環境中的換能器的某一通道在接收到脈沖激勵后發出超聲波。超聲波在水中經歷一段距離的傳播后，遇到反射板反射回換能器，并產生脈沖回波電壓，由MSO34 示波器（Tektronix Inc，美國）采集到該回波電壓后，上傳到服務器進行在線數據處理，包括傅里葉變換、頻域分析等。當示波器采集完64 個通道的回波數據并分別進行數據分析后，計算各個通道的靈敏度、中心頻率和帶寬的一致性，從而對換能器進行性能分析和檢測。

圖1 換能器回波測試系統

2.3 超聲體模測試

為測試自研7.5F 成像系統的成像性能，將自研超聲主機和自研7.5F ICE 導管連接后，采用CIRS 040GSE 標準超聲體模進行超聲B 模式圖像測試。該體模包含兩種聲衰減系數，分別為0.5 dB/MHz/cm和0.7 dB/MHz/cm。由于ICE 在心內操作，血流的聲衰減系數為0.14 dB/MHz/cm，本項目中以低衰減系數（0.5 dB/MHz/cm）作為對比。

為驗證成像性能和參數，對自研7.5F ICE 導管系統與強生Soundstar 10F ICE 導管系統進行對比，即通過連接器，將自研7.5F 導管和強生SoundStar 10F ICE 導管分別連接到自研便攜式彩超主機上，采用相同的成像參數包括峰峰值電壓、機械指數和掃描線密度等，掃描同一個超聲體模的同一位置，并采用相同的后處理參數，如動態范圍等。掃描結束后，對比兩根導管獲得的圖像最大成像深度、分辨率等。

2.4 動物實驗

本文所有動物實驗均經本院醫學倫理委員會審批通過（批準文號：DY22120424），且在符合標準實驗室規范的動物實驗中心進行。選取成年巴馬豬（體重46 kg）作為實驗對象，對其進行氣管插管、異氟烷氣體全麻后，注射5000 單元肝素，并使用監護儀進行全麻術中實時監護。隨后，采用8.5F 短鞘管進行股靜脈穿刺，將連接到便攜式超聲主機的7.5F ICE 導管經穿刺短鞘管內進入右側股靜脈，再沿下腔靜脈進入右心房。該過程中無需數字減影血管造影引導，根據導管自身的B 模式圖像反饋可判斷導管位置。當導管進入右心房后，在右心房內進行調彎、旋轉等標準導管操作以調整成像視野和角度，并采集超聲圖像和視頻。超聲采集結束后，導管回到原位，沿血管撤出。

為驗證在體成像性能和參數，本文將自研7.5F ICE導管系統與強生Soundstar 10F ICE 導管系統進行對比，即通過連接器，將自研7.5F 導管連接到自研主機上進行圖像采集。自研導管撤出后，再將強生SoundStar 10F ICE 連接到西門子Acuson P500 主機上，進入到同一成像位置采集同樣成像視野下的視頻和圖像進行對比。

3 結果

3.1 回波測試結果

本研究中的自研ICE 換能器每個通道-6 dB 帶寬＞70%，64 個通道具有較高一致性，且具有良好的靈敏度（圖2）。由于換能器具有較高帶寬，基于此，本研究中的換能器進行了二次諧波成像，以進一步提高成像分辨率。

圖2 自研64通道ICE換能器某一通道回波信號電壓隨時間變化（a）和功率增益隨頻率變化（b）曲線圖

3.2 體模測試結果

強生SoundStar 10F ICE 和自研7.5F ICE 在標準體模上的基波成像效果如圖3 所示，二者的成像深度無可見區別，均可達到9 cm；分辨率測試在標準CIRS 040GSE 超聲體模上進行，自研7.5F ICE 縱向分辨率與強生SoundStar 10F ICE 無肉眼可見區別，均＜1 mm；自研7.5F ICE 橫向分辨率＜1 mm，靶點拉伸更少，邊界更清晰，而強生SoundStar 10F ICE 橫向分辨率＞1 mm，因此自研7.5F ICE 導管系統具有比強生SoundStar 10F ICE 導管系統更優的橫向分辨率。

圖3 強生SoundStar 10F ICE（a）和自研7.5F ICE（b）圖像對比

3.3 動物實驗結果

在體巴馬豬實驗過程中，導管經穿刺鞘順利到達目標部位，采集到超聲圖像和視頻后，順利撤出體內，無不良事件及折彎、卡頓等情況發生。手術過程中，導管推送性能良好，調彎手柄操作簡單，調彎角度準確，系統運行穩定。動物實驗結束后，飼養實驗巴馬豬1 個月后對其進行檢測，肝功、腎功、心功均正常。

在同一頭巴馬豬上采集到的圖像如圖4 所示，自研7.5F ICE 導管和強生SoundStar 10F ICE 導管成像視野角度均為90°。就圖像分辨率和成像深度進行對比，自研7.5F ICE 系統在體動物實驗圖像均可達到9 cm 以上，自研7.5F ICE 導管系統分辨率與強生SoundStar 10F ICE無肉眼可見區別（均為1 mm 以內），且自研7.5F ICE導管更細。相比之下，自研7.5F ICE 導管系統能更清晰地識別瓣膜，滿足臨床診斷需求，而強生SoundStar 10F ICE 導管系統對于瓣膜顯影較為模糊。

圖4 同一頭巴馬豬ICE成像結果

手術結束后，對巴馬豬進行為期1 個月的喂養，巴馬豬未有持續出血等術后并發癥發生。

4 討論

本文介紹了一款自研7.5F ICE 導管系統，可降低心臟介入手術對患者的穿刺損傷，且自研7.5F ICE 導管手柄能夠實現單手調彎，操作更便捷。然而，該自研器械的安全性和臨床可靠性還需繼續進行多中心對照臨床研究。

回波測試、體模和動物在體實驗結果表明，本研究開發的自研7.5F ICE 導管具有良好的操控性，同時具有不劣于強生SoundStar 10F ICE 的圖像質量，包括圖像分辨率和最大成像深度。因此，自研7.5F ICE 導管系統能夠滿足多種心內介入手術的臨床需求。

隨著經皮微創介入心臟手術的普及化，精準的實時圖像反饋以監控并發癥、識別導管相對心臟結構的位置成為手術中的標配。當前導管室常用X 射線進行手術引導，該方式存在強輻射、無法實時顯示心臟解剖結構等缺點。ICE 是當前唯一能夠同時提供高質量心臟結構圖像和功能信息，同時無需全麻的影像設備，還可提高成像效果[2]。憑借諸多臨床優勢，ICE 正取代食道超聲成為心內科的術中引導首選設備[3-5]。例如，ICE 被用于引導MitraClip 系統進行二尖瓣修復[6]、經靜脈電極拔除[7]、心臟活檢[8-9]等，結果表明ICE 引導下的手術成功率及效率均得到了進一步提升[10]。

當前臨床上ICE 的發展趨勢為更優圖像質量（如單晶探頭ICE 等）、更細導管尺寸，以及由2D 向3D 和4D 的轉化，有望實現向更多臨床適應證拓展[11]。近年來，推出了西門子Acusion AcuNav V 和Acusion Acunav Volume、飛利浦Verisight Pro 和強生Nuvision 4D 等4D ICE 產品，早期的臨床結果也表明，4D 導管在結構性心臟病等方面擁有不可替代的臨床優勢，可提高更多更復雜的臨床適應證如瓣膜、左心耳修復、卵圓孔未閉封堵[12-14]等的安全性。

一方面，結合ICE 的超聲斑點追蹤等技術能夠實時反饋心肌應力和應變等，有望在房顫等電生理心臟病手術中提供實時的消融評估工具[15-17]。ICE 結合超聲斑點追蹤，可實時評估心肌消融效果，結合消融導管消融指數測量，提供給術者更加精準、快速的消融效果評估，降低復雜房顫復發的可能性。基于ICE 的超聲斑點追蹤，能夠同時進行心內血流矢量成像，從而實時監控術中血流動力學[18-19]，用于引導介入瓣膜手術中的瓣膜返流和瓣周漏等。

另一方面，當前基于PZT 陶瓷的相控陣ICE 探頭成本較高，因此降低探頭成本是該技術進一步下沉的重要方向。目前，使用電容式微機械超聲換能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT）探頭能夠顯著降低成本，CMUT 包括1 層振動薄膜、真空空間和兩個電極，通過電極通電產生振動和超聲波。當回波信號傳導到薄膜后，電極間電容改變，從而產生電流。相比于傳統PZT ICE 探頭，CMUT 憑其更小型的特點更容易進行電路集成，且擁有更高帶寬和更優分辨率[20-21]等優勢。

綜上所述，本文介紹了一款目前市面上最細的心腔內超聲系統，并通過聲學性能測試、體模和動物實驗驗證其性能，從而論證了該系統的臨床前可行性。