摘要

神经血管导管技术在过去十年中发展迅速。虽然性能特征已为从业者熟知，但由于可用资源有限，新一代导管设计特点及其对性能指标的影响对大多数临床医生而言仍是个谜。这种知识差距阻碍了知情设备选择，也限制了临床医生和工程师之间的合作。为帮助神经介入专家，这本入门读本总结了导管设计和构造的基本概念。

介绍

多种类型的导管和鞘是介入治疗行业的支柱，然而，几乎没有任何可用资源讲授这些装置构造的基本概念。随着远端通路导管等专用装置包含越来越多的先进设计和结构特征，这种资源不足的情况变得更加严重。虽然性能特征已为专业人员所熟知，包括近端支撑、远端可追踪性和管腔尺寸等基本特征，但导管工程师如何实现设定的性能目标对大多数临床医生来说仍是个谜。这篇入门级读本向介入医师介绍了导管设计和构造的基本概念。

导管是如何制造的？

导管构造的基本概念在各种器械中均得到很好保留。简而言之，导管必须足够大以容纳介入工具和/或造影剂注射，足够小以适合标准动脉通路鞘，足够硬以在近端提供支撑，足够软以在远端穿过曲折解剖结构，抗扭结，足够润滑使内腔便于装置插入而外腔便于跟踪。为实现这些特征，基本构造模式包含四个要素：非常薄的光滑衬里，通常是聚四氟乙烯(PTFE)，常由金属材料构造的支撑骨架，聚合物护套，以及最后的亲水涂层，通常限于装置远端部分。这些元件的构造材料、厚度、图案和范围根据给定的临床适应证定制，以实现必要的远端跟踪和装置通过。

建造过程从内部光滑衬里开始，通常是PTFE，覆盖在非常硬的心轴(金属)或芯(非金属)上。非金属芯优选用于软设备的构造，其从芯中伸出，而不是简单地从金属心轴中拉出，这样可能会损坏器件。润滑芯的理想特征包括高润滑性、超薄结构和耐久性，以免在装置通过过程中损坏。因此聚四氟乙烯是目前导管制造中最常用的内衬。基于导管内径，厚度范围0.0004-0.001英寸。

与非常有限的内衬选择相反，骨架类型、模式，材料和加工方式有无数种选择。金属材料主要包括相对便宜的不锈钢和具有形状记忆优势的镍钛合金。这两种材料中的任何一种，构造模式都是高度可变的。一般来说，金属丝以线圈或编织图案中的任一种或两者兼有，施加在衬里上。金属丝可以是圆形或扁平的，对于大多数神经血管应用来说，其范围通常为0.001-0.004英寸。图1展示了一个裸芯和一个带有不锈钢编织物和PTFE衬垫的芯。

图1. 裸芯(A)和带PTFE衬垫和编织物的芯(B)示例。

线圈因其出色的环向强度而受到青睐，以避免椭圆化或扭结。线圈性能的设计特征包括金属丝直径/厚度，较大直径提供更大刚度和抗扭结性，但限制远端柔软性。

沿导管长度可使用多种不同线圈，因为很容易终止一种线圈类型，并沿装置开始另一种线圈类型。螺距或线圈缠绕之间的距离，显著影响刚度、抗扭结性和可推动性，螺距越大柔软度越好，但扭结风险越大，可推动性越差。

编织结构可获得极好的刚度，与线圈相比具有高度可推动性，但可能易于扭结。编织设计包含许多特征，包括金属丝数量、单或双“开始”编织、编织图案(上-下等)，以及在单个编织结构中使用多种不同金属线类型。与线圈不同，编织结构相对难以在导管构建的中途终止。编织性能的主要驱动因素是金属密度(每英寸图案数或PPI)，一般PPI越高，抗扭结能力越强且越柔软。但整个PPI范围内的关系可能相当复杂，较高PPI最初会导致柔软度提高，但极端情况下会变得僵硬。与线圈一样，金属丝直径是刚度的主要决定因素。编织角度也可以决定导管性能。随着编织角减小，编织线方向变得更加平行于纵轴，显著增加导管可推动性。而较大编织角意味着金属丝方向垂直于纵轴。随着编织角度增加，编织结构变得更类似于线圈。

添加增强物(线圈、编织结构或两者混合)后，再将聚合物护套材料加在导管轴上。这种聚合物材料添加金属(通常是铋、钨或钡)不透射线填料，以增加不透射线特性。聚醚嵌段酰胺(PEBA)和尼龙是最常用聚合物。尼龙因其硬度更受青睐。而PEBA是一种较软聚合物，可用尼龙改性，以结合聚氨酯的柔韧性和尼龙的强度。制造商可以通过PEBA混合物中尼龙比例控制导管的柔韧性和硬度。因此PEBA是设计神经血管导管的首选。

最后阶段，将导管浸入聚氨酯基亲水涂层溶液并以设定速度抽出。接下来通过加热或紫外光固化亲水涂层。可能需要多次循环浸渍获得期望的涂层厚度。图2总结了神经血管导管的一般结构。

图2. 现代神经血管导管结构

一般来说，金属丝以线圈或编织模式或两者(混合设计)应用在芯和内衬(通常为聚四氟乙烯)上。线圈和编织结构设计特征的差异(编织结构编织角度和每英寸图案数，以及线圈节距)会显著影响神经血管导管的性能特征。虽然图中未示，但要注意在同一导管不同段之间，线圈和编织结构可以不同(如近端和远端部分)。外部护套覆盖线圈和编织结构，通常包含不透射线填充材料。外部亲水涂层是导管最外层，可减少导管导航过程中摩擦。

质量管理

许多机制被用于导管制造的质量控制。首先是制造流程文档，用于逐步指导制造每个产品。该文档详细描述了构建步骤，在关键里程碑处使用过程检查步骤进行筛选，剔除有缺陷零件，使用三轴千分尺测量外径等关键尺寸，进行最终检查。未被检查的器件特征经工艺验证，以统计方式验证输出，从而避免检查。亲水涂层长度是一个很好例子。建立一个由法规驱动的导管样本尺寸，通过将紫色染料(甲苯胺蓝)涂到成品导管上来验证涂层工艺是否产生合适的涂层长度，该染料仅与通常透明的亲水涂层结合，从而允许对其进行测量。

美国食品药品监督管理局(FDA)和其他监管机构要求医疗器械在制造和成品中进行质量控制，每个导管制造商采用不同严格质控标准限制临床环境中的器械故障。然而值得注意的是，这些质量控制步骤并不能完全防止导管故障和相关不良事件。例如，目前在FDA的制造商和用户设施设备体验(MAUDE)数据库中有超过1000个再灌注导管故障报告，其中大约10%与临床不良事件有关。也有已发表案例研究表明，手术过程中导管尖端膨胀和破裂会导致永久性神经功能缺损和死亡。因此上市后监督也是最重要质量控制步骤之一。

导管的机械性能

硬度计刻度是弹性体硬度的量度，已被医疗导管工程师广泛用作于比较不同聚合物柔韧性的替代物。在这个标度中，较高值表示材料较硬，通常柔韧性较低。另一方面，弯曲模量是材料弯曲趋势的量度。一般来说材料硬度和弯曲模量之间存在相关性。然而硬度计刻度只是柔韧性的间接测量，更软的硬度并不总意味着更好的柔韧性。此外硬度计刻度与其他导管性能指标(如抗扭结性、扭转能力和可推动性)没有很好相关性。

类似于悬臂梁，血管内导管仅在一端被固定和支撑 (近端；导引鞘)，而另一端是自由的。因此用于各向同性材料的欧拉-伯努利梁方程也可用于比较导管机械性能。与硬度计标度相反，这些方程使用特定材料模量值，可以更准确估计导管的机械性能，包括抗扭结性和特定尺寸的刚度值(轴向、弯曲和扭转刚度)。

导管抗弯刚度(或弯曲刚度)是指弯曲导管所需力偶。血管壁在血管弯曲处向导管长轴施加垂直力。如该力克服了导管材料抗弯刚度，则导管弯曲并适应血管曲率。但如果抗弯刚度太高，或者换句话说，导管抵抗弯曲，该力会对血管壁产生显著应力。这可能导致夹层或血管破裂。因此在神经血管导管设计中需要低抗弯刚度。对于由同质和各向同性材料组成的导管，抗弯刚度可通过以下公式计算：

E = 导管材料弹性模量,   D = 导管外径,   d = 导管内径

轴向刚度是指产生轴向变形所需的力。在导管设计应用中，轴向刚度通常用欧拉屈曲公式测量。在诸如髂动脉分叉或主动脉弓的血管弯曲中，血管壁在导管远端施加轴向力，并沿其长轴压缩导管。如果使导管弯曲所需的力(临界弯曲力)较低，则导管可以很容易地适应血管弯曲。但如果临界弯曲力很高，则血管壁不能偏转远端，随后的推送尝试会导致血管破裂。因此在导管设计中优选具有低轴向刚度的材料。对于由同质和各向同性材料组成的导管，屈曲力可通过欧拉屈曲公式计算：

E = 导管材料弹性模量, D=导管外径 , d = 导管内径,  β=夹紧系数,  l = 导管长度

扭转刚度是指弹性体对沿其旋转轴的角扭转运动的阻力。导管扭转能力和弹性体扭转刚度之间有很大关系。随着扭转刚度增加，近端操作更容易传递到远端。此外随着扭转刚度增加，所施加的力导致更小的远端尖端运动，这提供了更精确的导管控制。扭转刚度可以用两个公式测量，这两个公式基于末端力矩或模量和壁厚：

G=导管材料的刚性剪切模量,   D=导管外径,    d=导管内径

l = 导管长度 ,   Mt = 扭矩,     φ = 扭转角度

增加弯曲运动会减小导管曲率半径。导管在达到临界曲率半径后扭结，且其管腔被堵塞。可以用下面的公式计算临界曲率半径：

r =导管外径， t =壁厚， ν=泊松比 ，K =材料扭结常数

设计特点和性能之间的关系

基于上面列出的公式，在导管构建之前可以收集相对简单的物理关系。注意诸如弯曲刚度和弯曲力特征与外径的四次方相关，这意味着大直径装置实现预期柔软度可能是具有挑战性的，而小直径装置的高刚度同样是困难的。

表1总结了设计特征和性能指标之间的关系——

一般来说，保持所有其他特征不变，下列关系是明显的：

较低硬度和较厚护套、较小内径(ID)、较厚导管壁和较厚线圈/编织金属丝提供了更好的抗扭结性。此外镍钛合金丝比不锈钢丝更抗扭结。

刚度和扭矩随壁厚的四次方而增加。更小内径、更厚和更高硬度外套是增加刚度和扭矩的特征。线圈和编织物设计以及金属线特征会影响导管硬度和扭矩。不锈钢丝比镍钛丝更硬，扭矩更大。与线圈相比，编织设计提供了更好的刚度和扭矩控制。

聚合物刚度和弹性模量之间存在恒定关系(G/E:0.4–0.5)。因此用传统导管设计策略实现低抗弯刚度和高扭矩是不可行的。目前仍然没有单一的完美导管，需要根据导管的具体性能要求来权衡如何设计。例如高扭矩对于实现选择性血管插管的诊断导管是必要的。然而扭控特性伴随着高抗弯刚度，这解释了为什么可以将8F抽吸导管推进到大脑中动脉，但不能将4F诊断导管推进到颅外颈内动脉远端。

不同类型导管的性能要求和设计特点

指引导管用于为远端入口提供支撑。理想的指引导管不应因推送而反冲至主动脉，并应提供一个稳定平台。因此刚度对于指引导管至关重要。不锈钢丝的硬度是镍钛合金的五倍，编织设计的硬度明显优于线圈。因此设计中，制造商通常更喜欢不锈钢编织物。此外通常使用更硬的外套，如尼龙和高硬度PEBA。

到达远端小直径血管需要先进的工程应用和复杂的设计。制造商通常采用混合编织结构/线圈设计，沿着微导管具有不同的螺距和PPI值。一般来说，不锈钢编织物用于近端支撑和扭控；在远端优选紧密间距的线圈，以便在曲折解剖结构中具有更好的装置跟踪能力。此外外套用较软聚合物如低硬度PEBA，以防止血管损伤。

诊断导管主要用于选择性近端血管插管。因此扭矩能力和精确控制对于诊断导管来说必不可少。由于扭矩能力和刚度密切相关，制造商在设计中通常更喜欢较硬材料，如不锈钢编织物和尼龙外套。然而扭转能力伴随着刚度增加，阻碍了诊断导管在远端弯曲血管中的应用。

抽吸流量随着内径的四次方增加。因此在抽吸导管设计中需要薄壁和更大内径。 然而通过弯曲的颅内血管推进大口径导管肯定不是没有风险。因此在大口径远端通路导管或抽吸导管设计中，灵活性至关重要。另外提供一定程度柔性的同时，导管骨架还应该足够坚固，以防导管在负压下塌陷。此外在导管的柔软远端段保持可推性是一个重大挑战。因此抽吸导管设计是医疗器械工程中最复杂的领域之一。

制造商几乎总是在大口径导管采用混合编织和线圈设计。像微导管一样，编织结构在近端用于支撑，而线圈在远端用于更好的装置可追踪性和环向强度(负压下抗塌陷)。但与微导管设计相比，不锈钢丝并不占主导地位。镍钛合金丝可提供更好的形状记忆和抗扭结性，潜在地限制了进入主动脉的反冲，并可在血管弯曲处提供更好的可推动性。因此不锈钢和镍钛合金丝在大口径导管设计中同样受欢迎。较软外层是大口径导管的首选，由于其柔韧性，几乎每个制造商都使用PEBA聚合物。

未来方向

神经血管导管技术一直在快速发展。最近一些0.088-0.096英寸之间的超大内径装置已进入市场，初步临床研究支持其安全性和有效性。此外可控微导管越来越受到关注，最近FDA首次批准了可控微导管在神经内血管手术中的应用。也有令人兴奋的新技术即将出现，如可控磁导管。通过这项技术，计算机产生的磁场可以用来导航导管和控制其头端。这可能是遥控神经介入手术的一个重要里程碑。

结论

每个导管都有其独特设计，具有不同优点和局限性。介入医生一般通过临床实践发展对导管性能的认识。尽管这永远是最可靠的方法，但也有一些限制。市场上有各种导管，通过临床实践获得所有这些导管的全面知识是不现实的。但至少获得导管设计的基本知识可以提供对导管潜在临床性能特征的见解。建议介入治疗师关注导管设计特点，并在临床实践中协调临床表现和导管设计特点。这样，介入医生可以做出更好的初始装置选择，并减少装置相关并发症和手术时间。