2019年06月22日发布 | 2572阅读

张和教授专栏丨Guido Guglielmi 发明了可脱性弹簧圈 - GDC

张和

美国Loma Linda大学医学院神经科学中心



Guglielmi(上图)是意大利神经外科医生,罗马大学神经外科教授,神经放射学主任,神经科学主任,同时是美国加州大学洛杉矶分校放射介入科退休教授 - Emeritus Professor。


Guglielmi 对卒中研究的主要贡献是发明了 “Guglielmi 可脱性弹簧圈 - Guglielmi Detachable Coil - GDC” 用来填塞脑动脉瘤。


Guglielmi 发明可脱性弹簧圈是因为他本身的四个因素,第一他是 “神外医生 - Neurosurgeon”,愿望解决神经外科问题,第二他是 “放射介入神外医生 - Interventional Neuroradiologist-Endovascular Neurosurgeon”,对脑血管疾病尤其是血管内治疗感兴趣,第三他有 “电子学文凭 - Electronic Diploma”,有利于学科交叉,第四他喜欢机械和应用,具备创新的条件。


四心合一,Guglielmi 可脱性弹簧圈应运而生。





任何一项重大发明都必须同时满足 “天时,地利,人和”,缺一不可。


1980-1990年的 “天时” 是人们对卒中尤其是对脑动脉瘤的学术理解,影像学的进展和血管内介入技术和材料的启蒙。


1980-1990年的 “地利” 是当时已经发明了经股动脉入脑的微导管/导丝和电凝技术,可脱性球囊治疗脑动脉瘤也已经使用在少数临床中心,为进一步血管内治疗脑动脉瘤准备好了条件。


于是 Guglielmi 1989年在美国加州大学洛杉矶分校医学院实现了 “人和”,他做了猪的颈总动脉瘤模型,试验了可脱性弹簧圈(上图右: Guglielmi 和  Fernando Vinuela 在做实验)。


需要指出在1989年美国哥伦比亚大学放射科的 Sadek K. Hilal(上图左,1931-2001,埃及裔美国人,死于卒中)首先报道了使用一种短的弹簧圈治疗动脉瘤,但是 Guglielmi 认为这种 “可推入性弹簧圈 - Pushable Coil” 材料偏硬,无法回收,可控性差。


我没有查到 Hilal 这篇文章(Guglielmi 在引用时错误太多),估计后来 Hilal 也退休放弃了研究弹簧圈。


因此,Guglielmi 第一个发明了可脱性弹簧圈。





Guglielmi 出生于医生家庭,父亲是泌尿外科医生,他本想当电气工程师,但是在父亲的影响下,在最后一秒钟时决定进入医学院。


因为脑的组织结构和信息传递似乎以 “电子学” 为基础,充满 “线路 - Wires” 和 “中继 - Relays”,Guglielmi 决定研究脑,后来成了神经外科医生。


Guglielmi 的神外启蒙导师是意大利罗马大学神经外科研究所主任 Beniamino Guidetti(上图)。


Guidetti 以脑动脉瘤和动静脉畸形手术闻名,他对脑动脉瘤的醒世恒言是 “一眼能看破动脉瘤 - It is Enough to Look at an Aneurysm to Provoke Its Rupture”,动脉瘤非常脆弱,术中会随时破裂出血。


Guglielmi 牢记了导师的警句,在设计弹簧圈时使用软材料,防止动脉瘤破裂。


此时,Guglielmi 的背景知识发挥了重要作用,他设计了柔软的可脱性弹簧圈,设计了可脱性关节,有创意的用弹簧圈来填塞动脉瘤。




脑动脉瘤手术治疗有三大原则,一是血管外手术夹闭,二是从血管外进入血管内在瘤腔制造血栓封闭动脉瘤,三是后来的血管内填塞治疗。


其中从血管外使用金属导丝穿破动脉瘤,进入血管内通电加热造成瘤腔凝血来封闭动脉瘤,早在1938年就在主动脉瘤上试验了。1941年 Sidney C. Werner,Arthur H. Blackmore和 Barry G. King 在美国医学会杂志 JAMA 上报道了术中用针穿破颈内动脉瘤,然后通过针插入银丝加热促凝成 “电血栓 - Electrothrombosis(血细胞是负电荷)”。


1965年芝加哥大学神外主任 Sean F. Mullan(上图左)用立体定向仪定位开骨窗后,把多个铜针插入动脉瘤颈部,然后穿入导丝通电促凝(上图右: 制造 "电血栓" 手术示意图)。在61个病人中,49人成功产生瘤腔 “电血栓”。


Mullan 1974年历史上第一个使用铜弹簧圈栓塞了十五例巨大颅内动脉瘤,五例病人死亡,十例成功。


但是因为 Mullan 方法复杂,不如直接夹闭动脉瘤简单,所以没有进入临床实践。


我1993年加入芝加哥大学神外时,Mullan 仍在,精神极好,送给我一本少吃减肥的书,可惜我没有做到。据说 Mullan 在北京协和医院做过住院医师,他很赞赏中国神外的凌峰医生,说凌峰是他所见到过的最有思想的神外医生。




1979年在罗马大学神外研究所 Guglielmi 重复了上述电凝治疗动脉瘤的设想。


Guglielmi 做了10只兔子颈动脉瘤模型,再从股动脉用3F导管进入动脉瘤,然后插入0.2毫米不锈钢电极,使用10分钟10安培电流来制作 “电血栓(上图左: 箭头指的阴影)”。


因为所形成的血栓太小(在相同时间内血栓大小与通电量相关),没有临床意义,Guglielmi 放弃了这个研究项目。


当时 Guglielmi 注意到通电后动脉瘤内不锈钢电极上有个 “鼠尾 - Rat Tail” 样的电腐蚀溶解像(上图右: 箭头所指),而这一现象在十年后成为可脱性弹簧圈的实验基础。


对有心人来说,有时失败真的是成功之母。


当然,大多数失败其实就只是失败。


“泰山不让土壤,故能成其大。河海不择细流,故能成其深(战国李斯)”。




脑血管细小多弯曲,导管从外周血管进入脑血管是个挑战。于是人们发明了一种电磁头的微导管。


电磁头的微导管早在1960年代中期就出现了,在磁场引导下可以更容易的进入脑血管。


1980年美国的 John F. Alksne(上图左)和 Randall W. Smith(上图右)别出心裁,他们用立体定向仪把一个磁极头放在动脉瘤旁边(血管外),然后用针穿刺动脉瘤,打入铁的微颗粒,希望在瘤腔内形成 “铁血栓”。


他们做了22例病人,无死亡,但是取出磁极后,“铁血栓” 破碎是一个问题。


由此而见,直接夹闭动脉瘤似乎更简单。


到了1985年左右,有人制作了一种玻璃 “动脉瘤” 系统,并加入液体循环。然后在不锈钢导丝上贴了一个1毫米的 “微磁极 - Micromagnet”,把微磁极在 “血管内” 送入玻璃 “动脉瘤”。


微磁极到位后,再在循环液体中打入 “微铁颗粒 - Iron Microspheres”,微铁颗粒聚集在微磁极周围,部分的填塞了玻璃动脉瘤。



我以前写过加拿大西安大略 Western Ontario 大学神经内科主任 Henry Barnett(1922-2016,见 Barnett 一章)和神经外科主任 Charles Drake(1920-1998,见 Drake 一章)两人,都是如日中天的卒中人物,尤其 Drake 是世界级的脑动脉瘤权威。


1983年 Guglielmi 访问了加拿大西安大略 Western Ontario 大学并结识了年轻的神经介入医生 Fernando Vinuela(上图)。Guglielmi 和 Vinuela 成为朋友并且反复讨论了介入治疗动脉瘤的思想。


1985年 Vinuela 搬家去了美国 "加州大学洛杉矶分校 - UCLA",他告诉 UCLA 的放射科主任 Hooshang Kangarloo 有关 Guglielmi 对介入治疗动脉瘤的设想。有远见的 Kangarloo 同意出资邀请 Guglielmi 来洛杉矶做全职科研(Guglielmi 在意大利主要是做临床,科研条件欠佳)。


1989年1月15日 Guglielmi 全家来到了洛杉矶,他首先重复实验了微磁极引导形成 “铁血栓” 的设想。


用猪颈动脉瘤模型,Guglielmi 把带有微磁极头的不锈钢导丝导入动脉瘤,然后把微铁颗粒直接打入动脉瘤去形成 “铁血栓”,但是形成的 “铁血栓” 太小,缺乏临床意义。


Guglielmi 想到以前做的 “电血栓”,于是他对 “铁血栓” 通上4毫安电流,血栓是稍大了一点,但是电流把不锈钢导丝烧断了,微磁极掉在了动脉瘤腔里。





“电血栓” 太小,失败了。“铁血栓” 还是太小,又失败了。


“铁血栓” 加 “电血栓”(上图: 制造 “铁血栓” 加 "电血栓" 理想示意图),仍然失败了。


但是在失败中和无意中 Guglielmi 其实发明了一种可靠的可脱机制。


悲中有喜,什么叫惊喜?什么叫想不到?什么叫出人意料?


“有心栽花花不开,无心插柳柳成荫”。


电凝血栓技术失败了,微磁铁血栓技术也失败了,但是可脱技术成功了。


“空钩意钓,岂在鲂鲤。小儿近道,剥啄信指。

胜固欣然,败亦可喜。优哉游哉,聊复尔耳(苏轼)”。





掌握了可脱技术,下一步则是脱什么?或者说占领颈窄体宽瘤腔的最佳物体是什么?


固体物质,脱鞋?鞋小了没用,鞋大了又装不进动脉瘤里面去。


液体物质,在循环血液冲击下如何留住液体?


当时在洛杉矶有一个小公司叫 “靶向疗法 - Target Therapeutics”,生产微导管,尤其是新的 Tracker 导管,改善了介入的操作,使导管在脑血管中几乎是无孔不入。


因为 “靶向疗法” 的公司在洛杉矶,Guglielmi 与 “靶向疗法” 公司的工程师 Ivan Sepetka 和 Eric Engelson 合作,反复生产,实验和改善栓塞动脉瘤的装置。


Guglielmi 首先试验了固体,他做了一个一厘米长(再长就进不去瘤腔了)的 “铂金头 - Platinum Tip”,然后 “电解 - Electrolysis” 不锈钢导丝把白金头留在瘤腔里。果然,铂金头太小,达不到临床填塞动脉瘤的意义(上图 Guglielmi 电解示意图)。


物质除了固体和液体还有什么体呢?或者用固体或液体的其他表达形式?





Guglielmi 想到 “粉体(他是一个铁粉,总想往瘤腔打铁粉造成铁血栓),但是据说 Sepetks 想到了 “线体”,线体几乎是固体化为液体的形式,又不会被血液冲走。


于是 “放射显影 - Radiopaque” 同时又是 “生物相容 - Biocompatible” 的铂金丝可脱性 “线体” 弹簧圈理念诞生了。


可脱性弹簧圈有特殊的物理和电学特征,有 “记忆功能 - Shape-Memory Alloy”,可以弯曲后又返回原状,可脱性弹簧圈占据30%的瘤腔,导致血栓形成占据70%的瘤腔,完全封闭瘤腔。


可脱性弹簧圈迅速取代了可脱性球囊(球囊形状不随瘤腔形状而变,相反改变瘤腔形状,易引发动脉瘤破裂,风险大)填塞动脉瘤,掀起神经外科的一场革命,改变了世界 - A Game Changer。


1990年3月6号,有个创伤性颈动脉海绵窦瘘的病人,动脉和静脉入路可脱性球囊填塞都失败了。于是 Fernando Vinuela,Jacques Dion 和 Gary Duckwiler 在绝望中使用了可脱性弹簧圈。Guglielmi 送了二个可脱性弹簧圈到手术室,一个40厘米,一个15厘米。


结果可脱性弹簧圈脱落后好像什么都没有发生,瘘仍在。于是手术终止,决定明天重来。


谁知道术后造影发现瘘消失了,大家高兴的都跳了起来(上图 Fernando Vinuela,Guido Guglielmi 和 Gary Duckwiler )。


这个历史上第一个可脱性弹簧圈填塞的病例成为 “神外 - Neurosurgery” 杂志1991年一期的封面。





1991年1月,第一例使用可脱性弹簧圈栓塞颅内动脉瘤在加州大学洛杉矶分校完成。


可以预料一开始推行可脱性弹簧圈阻力很大,不需多言。


在发明可脱性弹簧圈之前,没有多少人做动脉瘤的介入,病人数也不多。发明了可脱性弹簧圈之后,介入医生和病人数倍增,出现了一门新学科和一个新的工业。


过去脑动脉瘤都是开颅手术夹闭,难度高,风险大,创伤重,恢复慢。可脱性球囊栓塞难度大,风险大,难以推广。现在90%的颅内动脉瘤都由 “微创” 介入手术可脱性弹簧圈解决了,血管神经外科分枝几乎被消灭了。


同时可脱性弹簧圈也引起介入器械的一场革命,各种导管导丝支架应运而生。


Guglielmi(上图)在1999年退休回到他的故乡罗马,从1989到1999年,"十年寒窗无人问,一举成名天下闻"。


Guglielmi 把他神经外科的最好年华献给了发明可脱性弹簧圈。


“日月之行,若出其中。星汉灿烂,若出其里(曹操)”。





Guglielmi(上图左,右 Fernando Vinuela)1948年生于罗马,12岁时就开始热爱电子和机械,后来在罗马大学学习医学和神经科学。在1974年做神经外科住院医师时,开始科研,用他喜欢的工程技术 “电血栓 - Electrothrombosis” 来研究颅内动脉瘤。


大概是命运所致,Guglielmi 在1974年研究动脉瘤时他的父亲得了颅内动脉瘤破裂性蛛网膜下腔出血并去世,这一事件更激发了他的斗志。


虽然以研究可脱性弹簧圈填塞动脉瘤闻名于世,Guglielmi 一生中印象最深的一个病例并不是动脉瘤,而是他用 “阿替普酶- rTPA” 再通了一个女性卒中病人的左侧颈内动脉和左侧大脑中动脉。


脑动脉再通可以救命,Guglielmi 欣慰的说他挽救了一条生命。病人除了有些语言功能障碍之外,回到了工作岗位,可以开车,重新开始了正常的生活。


大家知道,手术或介入栓塞动脉瘤的主要目的是预防下一次出血,而不是治疗蛛网膜下腔出血脑损伤本身,所以术后病人并不马上 “好转”,甚至病情会加重。而脑动脉再通时常立竿见影,起死回生,所以给 Guglielmi 留下更深刻印象。





Guglielmi(上图上:Guglielmi 可脱性弹簧圈操作示意图,上图下左:第一个可脱性弹簧圈,上图下右:Guglielmi 在家里厨房自己做的电源)对敢于发明创新后来人的忠告是:


一,当中期结果与预期不符合时不能灰心丧气,有时技术的改变会改变结局。


二,当别人不理解你研究的重要性时,同样不能丧失信心。


Guglielmi 1990年小结了可脱性弹簧圈的结果,投到美国神经外科年会,但是被会议拒决了,评语是 “可脱性弹簧圈与神经外科关系不大 - It is not Relevant Enough”。


与神外关系不大?十年后 Guglielmi 改变了神经外科的世界。





Guglielmi(上图 Guglielmi 可脱性弹簧圈第一篇文章)主持了多项研究,意大利的课题包括栓塞治疗头颈肿瘤和血管畸形,血管成形术,美国 NIH 课题有电血栓填堵动脉瘤,介入治疗宽颈动脉瘤等。


Guglielmi 发表了90篇文章,12篇书的章节,在1998年与 James Byrne 一起出版了一本书:”脑动脉瘤的介入治疗 - Endovascular Treatment of Intracranial Aneurysms”,Springer。


Guglielmi 似乎没有什么荣誉,1995年美国的 FDA 批准了临床使用 Guglielmi 可脱性弹簧圈,同年获得 Lemelson-Massachusetts 科技所创新发明奖的提名,在2005年是世界介入和治疗放射协会议的名誉主席。





Guglielmi(上图: 可脱性弹簧圈示意图)认为,过去20年介入领域的三大发明是,血管开通技术,动静脉畸形的胶水,宽颈动脉瘤的支架技术。影像技术的发展同样至关重要。


Guglielmi 有三大期待,一是更理想的动静脉畸形治疗,二是宽颈动脉瘤的治疗,三是更好的栓塞和运送导管系统。


Guglielmi 认为 "科研的动力是天生的,不是学来的,It is in the DNA of a Person"。一个学者享受的是科研的过程而不是成果。


满天科研奖励是否会扼杀科研的原始动力,使科研成为钓名沽誉?


同时,Guglielmi 认为导师的价值是在科研陷入低谷时,注入鼓励 - Inject Enthusiasm。


Guglielmi 的个人爱好广泛,他例举了 “电子产品 - Electronics,他自装电子设备,信息学 - Informatics,现代艺术,照相,心理学,哲学,音乐,网球和足球,看电影。





“江上有奇峰峰,锁在云雾中,寻常看不见,偶尔露峥嵘(江青)”。


这首诗如鬼似神的描绘了颅内动脉瘤的庐山真面目,寻常看不见,偶尔露峥嵘。


大概一生中每15人中有一人会发生动脉瘤破裂性蛛网膜下腔出血,一旦发生,死亡率高达50%。现在的治疗主要是预防再次破裂,因为再次破裂死亡率为75%。


CT 和 MRI 可以发现未破裂的动脉瘤,可以 “未病先治”。


1995年获得 FDA 批准后,Target Therapeutics 公司获得可脱性弹簧圈的生产执照,1997年 Boston Scientific Corp 花了21亿美元买下 Target Therapeutics。Guglielmi 和 Sepetka 获得可脱性弹簧圈的专利(上图: Guido Guglielmi,Fernando Vinuela,Ivon Depetka,John Robert)。


随后出现了140多种其他的可脱性弹簧圈。


当全世界都在关注 Guglielmi 发明了可脱性弹簧圈的成就时,Guglielmi 更关注可脱性弹簧圈造成的并发症。





回顾历史,英国的 Thomas Willis 1663年描述了脑循环。


1927年葡萄牙的神外医生 Egas Moniz 发明了脑血管造影,1933年用造影展示了一例脑动脉瘤。


1938年美国神外之父 Walter Dandy 第一次夹闭了颅内动脉瘤。


第一次把导管引入脑循环的是美国神外医生 Alfred J. Luessenhop(上图左)和 Alfredo C. Velasquez 在1964年报道的。他们把一根玻璃管与颈外动脉联在一起,然后从玻璃管中插入一根硅橡胶管,上入颈内动脉,进入基底动脉环(上图右),尖部可以膨胀,短时堵塞了一个后交通动脉瘤。


Luessenhop 和 Velasquez 宣布 “在脑血管和基底动脉环内操作是可行的和可耐受的”。


Luessenhop 和 Velasquez 甚至推测,“导管和栓塞颅内血管对动脉瘤和动静脉畸形有治疗意义 - Catheterization as well as Embolization of Intracranial Arteries may have Therapeutic Usefulness, particularly in the Treatment of Aneurysms and Arteriovenous Malformations”。  





南京东南大学附属中大医院介入与血管外科的邓钢(上图)教授回顾了他使用 “Guglielmi 可脱性弹簧圈 - GDC” 的经历。


邓教授说他初次接触到 GDC 治疗颅内动脉瘤是1997年底,那时他师从上海华山医院黄祥龙教授。黄教授是国内早期从事神经放射介入的专家之一,也是国内首批使用 GDC 的专家之一。


邓教授赞同说,GDC 的应用,使动脉瘤栓塞变得更加可控,更加安全,其设计理念颠覆了既往的认识,把神经介入治疗技术和材料更新推向了新的高峰,也滋生了一个医学亚专业,神经介入或神经放射介入学。 


“黄沙百战穿金甲,不破楼兰终不还(唐人王昌龄)”。


邓教授认为,Guglielmi 不仅仅是一名神经外科医生、一名医学科学家,更是一名孜孜不倦的发明者,没有他的 GDC 问世,神经介入的发展也许会延迟很多年。


邓教授说,复合型人才及不断追求、探索真理的人,才能做到 “米粒之珠,大放光芒”。





上海海军军医大学长海医院神经外科的黄清海(上图)教授称颂 Guglielmi 的发明,推动了脑动脉瘤从传统开颅手术向微创血管内介入治疗的快速转化。

黄教授说,Guglielmi 不仅为脑动脉瘤血管内治疗提供了更加安全可控的治疗器具,更重要的是他改变了从血管外转为血管内治疗的理念。


黄教授指出,血管内支架、血流导向装置、瘤内扰流装置等器械的研发,使动脉瘤治疗从 Guglielmi 设计的 “瘤内栓塞” 向 “载瘤血管重建” 与 “血流重构” 的治疗理念转变。


近年来更加柔软、更好顺应性和更简便解脱方式的弹簧圈不断涌现,具有划时代意义的 GDC 弹簧圈也逐渐退出了历史舞台。


“江山代有才人出,各领风骚数百年(清人赵翼)”。

黄教授高兴的说,目前神经介入器械的研发与应用在国内蓬勃发展,国际上第一个颅内球扩支架(Apollo 支架)、颅内覆膜支架(Willis 支架)以及刘建民教授团队研发的 Tubridge 血流导向装置等,我们正在从 “中国制造” 向 “中国智造” 快速转变。





有人说第一个用血管内介入 “栓塞 - Embolization” 异常脑血管的是美国放射医生,埃及裔的 Sadek K. Hilal,他在1968年通过导管直接打入硅胶类填充物质,栓塞动静脉畸形,开启了放射介入的帘幕。


1974年苏联的 Fedor Serbinenko 发明了可脱性球囊治疗颅内动脉瘤。


Walter Dandy 1937年3月23日第一次夹闭了颅内动脉瘤后说到:“基底动脉环的动脉瘤也不完全令人绝望 - An Aneurysm at the Circle of Willis is not Entirely Hopeless”。


Guglielmi(上图)似乎没有说出什么豪言壮语,他是意大利人,估计英语局限,想说也没有能力。他的几篇历史回顾基本类似,错误挺多,引用的两篇 Hilal 的文章我根本查不到,不知道他哪里找来的。


但是 Guglielmi 与 Dandy 一样,创造了神经外科的分枝,改变了世界,有利病人,有利学术。


俗称:“老婆高兴,好命注定 - Happy Wife, Happy Life”。


幸运的是 Guglielmi 的夫人和两个女儿都是他科研的坚强后盾。


送给 Guglielmi 一首宋人辛弃疾的《青玉案,元夕》:


东风夜放花千树,更吹落,星如雨。

宝马雕车香满路,凤箫声动,玉壶光转,一夜鱼龙舞。


蛾儿雪柳黄金缕,笑语盈盈暗香去。

众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处。



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