血管内超声

2021
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CCI心血管医生创新俱乐部
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血管内超声(intravascular ultrasound,IVUS)是指通过导管技术将微型超声 探头送入血管腔内,显示血管横截面图像,从而提供在体血管腔内影像。

器械简述 

(1)临床应用 

  血管内超声(intravascular ultrasound,IVUS)是指通过导管技术将微型超声 探头送入血管腔内,显示血管横截面图像,从而提供在体血管腔内影像。IVUS 的常用观察指标包括最小管腔面积(minimum lumen area, MLA)、最小支架面积 (minimum stent area,MSA)、斑块负荷(plaque burden,PB)、钙化病变角度、夹 层长度及角度等,术者根据不同病变类型及特点,综合考量各项指标后,可制定精准的手术策略。

  IVUS 在经皮冠状动脉介入(percutaneous coronary intervention, PCI)手术中可起到重要的辅助决策作用,包括术前评估及术后优化。PCI 术前, IVUS 主要用于评估斑块性质和特点,制定合适的预处理策略,测量病变长度和参 考段血管直径,选择合适的支架直径、长度及落脚点。PCI 术后,IVUS 主要用于明 确支架的膨胀与贴壁情况以及有无支架边缘夹层等并发症,以有的放矢地达到 PCI 术后即刻结果的最优化[1,2]。

  研究显示,达到 IVUS 下最优化手术结果的患者的临床 预后显著优于未达到最优化结果的患者,后者的预后情况与仅接受造影指导 PCI 的 患者相仿,无法体现 IVUS 的优越性[3,5]。

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  2018 年《欧洲心肌血运重建指南》明确建议无保护左主干病变进行介入诊疗 时,应使用 IVUS 辅助[6]。近年来发表的 ULTIMATE 研究进一步证实了即使对于不经筛选的全人群,使用 IVUS 指导 PCI 依然能显著改善患者的近期及远期预后[3,4], 为进一步拓宽 IVUS 的临床应用场景提供了重要的依据。

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  相较于冠脉造影,IVUS 能得到更详细及客观的腔内影像参数,判断病变性质 及严重程度。相较于另一种腔内影像学工具光学相干断层成像(OCT),IVUS 的 分辨率虽低一些,在对斑块性质的判断效能上稍显逊色;但 OCT 获取腔内影像时 一般需使用对比剂冲洗血管,在冠脉开口病变及肾功能受损患者等场景中不适用, IVUS 则不受限制,基本可以全场景使用。 


(2)器械构成 

  IVUS 成像仪器基本结构相似,主要由 IVUS 探头(即一次性超声导管)、探头 运动与回撤系统(即马达)和超声成像主机(包括主机安装软件)三个部分构成。

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  IVUS 探头用于发射并接收高频超声,可根据目标血管情况选择不同的频率及 直径。目前,超声导管主要有机械旋转式和相控阵式两种。机械旋转式血管内超 声导管使用一个超声换能器,360 度旋转发射和接收超声波。由于导丝并行于超声 换能器之外,产生的超声图像一直有导丝伪影存在,对血管探测造成了一定的角 度缺失。对于相控阵式超声导管,其导丝走在超声探测器内部,可避免导丝伪影。然而,相控阵式超声探头的外径较机械旋转式略大,影响其血管通过性;最高中 心频率只能达到 20MHz,图像分辨率远逊于机械旋转式。

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  IVUS 主机软件用于对接收的超声信号进行处理,其后,超声导管回撤过程中 的血管超声图像、血管管壁结构和管腔大小将在主机屏幕上显示。 根据应用场景不同,IVUS 可分为移动推车式和挂壁式两种类型。移动推车式 血管内超声的优点是可以多导管室共享一台机器,提高机器使用效率;缺点在于 操作技师需要在术间操作,会接受到一定剂量的辐射。挂壁式血管内超声的优点, 一是操作技师无需进入术间,在操作间就可以完成血管内超声的操作和测量;二是其显示器挂在 DSA 的显示架上,医生可以同时观察到造影和血管内超声图像, 有利于将 IVUS 影像和造影影像迅速对应。除了以上两种设备形式,未来也将有便 携性更佳、体积更小的 IVUS 设备面市。

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(3)技术发展路径 

  血管内超声源于腔内超声(intraluminal ultrasound)显像。1956 年,Cieszynski 将研制的超声导管用于心内超声测量研究,发现了超声导管用于诊断心脏疾病的 可行性[7]。几年后,Kossoff 研制出一种直径为 2mm,工作频率为 8MHz 的超声导管 用于心室壁厚度的测量,精度可达到 0.1mm,开启了超声导管在诊断心脏疾病上的 临床应用[8]。20 世纪 80 年代末,微型超声换能器(超声探头)的发展使血管内超 声应用于临床成为可能。图 6 显示了 20 世纪 60 年代到 80 年代出现过的血管内超声 导管的雏形。

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  血管内超声技术未来的发展可能沿两个方向。一是血管内超声系统本身,体 现为更清、更快、更准。“更清”指图像质量,波士顿科学和泰尔茂均上市了 60MHz 高清导管,国内研发的 IVUS 多为 50MHz,与国外相应领域的进度差距不大, 但在软件汉化及更新方面,国内企业更具优势。“更快”指回撤速度,目前血管内 超生的几个重要厂家均在做此项工作。“更准”指软件更加智能,包括自动管腔识 别、模拟支架植入、虚拟组织学(virtual histology,VH)等功能的应用。同时,超 声主机硬件将拥有更高的计算能力,更大的存储空间,数据传输将更加便捷,并向无线传输发展。

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  另一个方向是血管内超声同其他腔内影像的整合。目前在研究的有 IVUS-OCT 双模一体化成像导管、IVUS-NIRS 组合、血管内光声 - 超声 -OCT 三模态成像系统 等。近年来,基于 AI 的 IVUS 影像分析和 FFR 快速计算技术(ultrasonic flow ratio,  UFR)使得同步获取腔内影像学及生理学参数在未来成为可能,有望进一步拓展 IVUS 的应用场景。

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(4) 技术延伸探索 

  作为一种血管内诊断手段,理论上,血管相关的疾病都可以使用 IVUS。然而,IVUS 的应用目前主要集中于冠脉血管,其在外周血管,如下肢动脉、肾动脉上应 用较少;颅内动脉仍是血管内超声的禁区。如果将来的技术进步能够让超声导管 足够细和柔软,颅内动脉或将成为 IVUS 下一个集中应用的领域。 

  市场现状及趋势  

  中国冠脉 IVUS 血管内超声检测系统 2020 年市场规模约 13 亿元人民币,营收 主要包括血管内超声导管耗材及相应的 IVUS 设备。截至 2020 年第一季度,中国市 场仅有波士顿科学和飞利浦(收购火山)两家外企产品销售,波士顿科学市场占 有率超过 80%。

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  IVUS的临床价值在全球范围内已经得到了普遍认可,美国在PCI中应用IVUS的 比例接近20%,日本达到90%,欧洲发达国家也普遍超过15%。2019年中国以96.8万 例冠脉PCI计算,IVUS的应用比例接近8%,浙江等省市领跑全国,平均渗透率超过 15%,但同时各省份之间渗透率存在明显差异,短期内渗透率还有较大的提升空间。

  虽然 IVUS 图像阅读需要一定学习曲线,但随着优化 PCI 理念的不断深入,国 产 IVUS 的研发进展以及具备 IVUS 应用能力的医师数量增加,中国 IVUS 渗透率 2026 年预期达到 30% 以上,市场规模超过 50 亿元人民币。 

  产业介绍  

  从事 IVUS 产品开发的企业主要集中在两个方向,一是单独 IVUS 产品的开发,主要注重超声传感器中心频率的提高及后续处理软件的优化,以更高清晰度的图 像给予临床决策支持。中国市场内的波士顿科学和飞利浦火山,以及产品尚未上 市的北芯、深圳开立、天津恒宇均为此类。其中,北芯已经过 C 轮融资,开立作 为老牌超声厂家已经上市。二是融合 IVUS 的开发,包含了最常见的 IVUS-OCT 融 合,以及 IVUS-FFR、IVUS-NIRS、IVUS 与其他光学技术的结合,均旨在同时发挥 两种测量手段的优势,弥补彼此的不足。

  对于 IVUS-OCT,国内全景恒升和英美达 正致力于此。全景恒升 IVUS-OCT 一体机在 2019 年 11 月进入临床试验,Pre-A 轮 融资超过 1 亿元人民币。英美达 2021 年进行的 C 轮融资亦是亿元级别。远大医药 参股并独家代理加拿大 Conavi 公司,其生产的 Novasight 已获得美国 FDA、加拿大 HealthCanada 和日本的上市许可,于 2019 年纳入特别审批程序的“绿色通道”[9]。IVUS-NIRS 领域,美国 Infraredx 公司的 DualproTM IVUS+NIRS 导管已获得 FDA 审批, 但国内尚未有同类产品研发动态。

  IVUS-FFR 领域中大多企业致力于虚拟 FFR 即通 过 IVUS 图像拟合计算出 FFR 数值,而非导管功能的融合。预计未来三年将有多款 IVUS 及 IVUS 融合产品获批上市,一同助力与优化精准 PCI 理念。 

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关键词:
IVUS,PCI,渗透率,血管,超声,导管

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