多种类型的导管和鞘是神经介入医生常用的器械，然而讲解器械构造基本概念的资源却非常有限。随着一些特殊器械如远端通路导管的设计和制作工艺越来越先进，这种资源匮乏越来越严重。虽然术者对这些器械的操作性能，包括一些重要的特征如近端支撑，远端可追踪能力和管腔大小等情况了然于胸，但是对于大多数临床医生来说，工程师是如何实现这些性能参数的仍是一个谜。在这篇入门级的文章中，我们将向介入医生介绍导管设计和制造的基本概念。
一、导管是如何制造的？
导管结构的基本概念已经相对完善。简而言之，导管必须做到以下几点：
大到足以容纳介入器械和/对比剂注射；
小到足以容纳标准的动脉通路鞘；
硬到足以提供近端支持；
软到足以通过迂曲的血管向远端延伸，同时做到耐扭结；
内腔润滑以便于器械通过；
外表面润滑以方便输送。
为了实现这些特性，基本的构造模式包括四个元素：
薄且滑的内衬——典型的聚四氟乙烯（PTFE）涂层；
支撑骨架，通常由金属材料制成；
聚合物外管；
亲水性涂层，仅限于器械的远端段。
这些元素的结构、材料、厚度、模型和范围都是根据临床需求进行定制的，从而实现器械远端显影和良好通过性。
制造过程
图1：现代神经血管导管的结构。
1、润滑的内衬
首先将润滑的内衬（通常是PTFE）放置在非常坚硬的芯轴（如果是金属）或芯（如果是非金属）上。非金属芯是软器械的首选，为了降低器械的损坏率，软器械需要从芯中向外伸展而不是简单地从金属芯轴上拉出。润滑芯的预期特性包括高润滑性，超薄结构和耐用性，以避免器械输送过程中的损坏。为此，聚四氟乙烯是目前导管结构中最常用的内衬材料。根据导管内径其厚度范围为0.0004英寸到0.001英寸。
2、支撑骨架
相较于可选性较为单一的内衬，支撑骨架在类型、模型、材料和加工方面有无数选择。金属材料主要包括相对便宜的不锈钢，以及具备形状记忆优点的镍钛合金。然而，对于任何一种材料，构造模式都是高度可变的。通常，金属丝以线圈或编织或两者均存在的形式应用于内衬。这些金属丝可以是圆形或扁平的，大多数神经血管应用的尺寸在0.001英寸-0.004英寸。图2展示了裸芯和带有金属编织层以及PTFE内衬的芯。
图2. 裸芯 (A) 和带有PTFE衬里及金属编织层的芯 (B) 示例。
线圈的形式是大家最为喜爱的，因为其优良的紧箍强度，可避免发生扭曲变形。线圈性能的设计特征包括线径/厚度，较大的直径可提供更高的硬度和抗扭结性，但也会因此限制远端的柔软度。
沿着导管的长轴可以使用多种不同的线圈，因为不同线圈之间的连接非常简单。螺距（或称为线圈缠绕之间的距离），可以显著影响硬度、抗扭结性和可推送性，较宽的螺距可提供更好的柔软度，但会增加扭结风险并降低可推送性。
编织支撑可以实现出色的硬度，并且与线圈相比具有很高的可推送性，但容易发生扭结现象。编织设计包含许多特征，如金属丝数量、单或双“起始”编织、编织形式，以及在单个编织形式中使用多种不同类型的金属丝。与线圈不同，编织支撑相对难以在导管构建的中间终止。编织性能的主要驱动因素是金属密度（每英寸编织数，PPI），PPI越高，通常会增加抗扭结性和柔软性。然而，整个PPI范围内的关系相当复杂，较高的PPI会使得柔软度提高，但在极端情况下也会变得僵硬。
与线圈一样，金属丝的直径是决定硬度的主要因素。编织也可以决定导管的性能，随着编织角度的减小，金属丝的方向变得更加平行于纵轴，这显著增加了导管的可推送性。另一方面，较高的编织角度意味着金属丝的方向垂直于纵轴。 因此，随着编织角度的增加，编织结构变得更类似于线圈。
3、聚合物外管
在添加增强材料（线圈、编织物或两者兼有）后，还需将聚合物保护套材料放置到导管轴上。这种聚合物材料包含不透射线的金属填充物（通常为铋、钨或钡）以增加其不透射线性。聚醚嵌段酰胺 (PEBA) 和尼龙是最常用的聚合物。尼龙因其强度高而被青睐。另一方面，PEBA是一种较软的聚合物，可以用尼龙进行改性，以综合聚氨酯的柔韧性和尼龙的强度。制造商可以通过调整PEBA混合物中尼龙含量的比例，控制导管的柔韧性和硬度。因此，PEBA是神经血管导管设计中的重要一环。
4、亲水性涂层
最后一步是将导管浸入基于聚氨酯的亲水涂层溶液中并以已知速度抽出。接下来，亲水涂层用热或紫外线固化。可能需要多次浸渍才能达到所需的涂层厚度。
二、产品质控
导管的质量受多种过程机制控制。首先是用来指导每个单独产品生产步骤的“生产过程文件”，该文件详细说明了制造步骤，在关键步骤通过检查筛选出存在缺陷的产品，并使用三轴千分尺测量外径等关键尺寸进行最终检查。未被检验的器械特征通过过程验证对输出进行统计验证。我们以亲水涂层长度为例，将紫色染料（甲苯胺蓝）应用于成品导管，该染料通常只与清晰的亲水性涂层结合，从而使其能够被测量。基于质控要求确定一个合适的导管样本量，以验证涂层工艺是否生成了符合标准的涂层长度。
美国食品药品监督管理局（FDA）和其他监管机构要求对半成品和成品医疗器械进行质量控制，每个导管制造商都采用不同的严格质量控制标准来限制临床工作中的器械故障。然而，重要的是应注意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的发生。例如，目前在FDA的制造商和用户设施设备体验（MAUDE）数据库中报告了1000多例再灌注导管发生故障，这些故障中约有10%与临床不良事件有关。还有一些已发表的案例研究表明，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的质量控制步骤之一。
三、导管的力学性质
硬度计刻度
硬度计刻度是弹性体硬度的量度，目前已被医疗导管工程师广泛用作比较不同聚合物柔韧性的替代指标。在此刻度中，数值较高表示材料较硬，柔韧性较低。另一方面，弯曲模量是材料弯曲倾向的量度。一般来说，材料的硬度和弯曲模量之间存在相关性。然而，硬度计仍然是柔韧性的间接量度，因此，较软的硬度计刻度并不总是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（例如抗扭结性、扭转性和推动性）的相关性不高。
欧拉-伯努利梁方程
与悬臂梁类似，血管内导管仅在一端（近端；导管鞘）固定和支撑，另一端游离。因此，各向同性材料的欧拉-伯努利光束方程也可用于比较导管的机械性能。与硬度计刻度相反，这些方程式使用特定材料的模量值，因此可以更准确地估计导管的机械性能，包括抗扭结性和大小特定的刚度值（轴向、弯曲和扭转刚度）。
弯曲刚度
导管的弯曲刚度（或弯曲刚度）是指弯曲导管所需的力偶。血管壁在血管弯曲处对导管的长轴施加垂直力。如果这个力克服了导管材料的抗弯刚度，导管就会弯曲并适应血管曲率。然而，如果抗弯刚度太高，或者换句话说，导管难以弯曲，则该力会对血管壁造成巨大的应力，从而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。对于由均质和各向同性材料组成的导管，可以使用以下公式计算抗弯刚度：
E=导管材料弹性模量、D=导管外径、d=导管内径。
轴向刚度和屈曲力
轴向刚度是指产生轴向偏转所需的力。在导管设计应用中，轴向刚度通常使用欧拉屈曲公式来测量。在血管弯曲处，例如髂分叉或主动脉弓，血管壁对导管的远端施加轴向力，并沿其长轴压迫导管。如果弯曲导管所需的力（临界屈曲力）较低，则导管很容易适应血管曲率。然而，如果临界屈曲力很高，则血管壁无法使远端尖端偏转，随后的推动尝试可能会导致血管破裂。因此，在导管设计中首选具有低轴向刚度的材料。
对于由均质和各向同性材料组成的导管，可以使用欧拉屈曲公式计算屈曲力：
E=导管材料弹性模量、D=导管外径、d=导管内径、β=加紧系数、l=导管长度。
扭转刚度
扭转刚度是指弹性体对沿其旋转轴的角扭转运动的抵抗力。导管的可扭转性和弹性体的扭转刚度之间有很强的关系。随着扭转刚度的增加，近端操作会更容易传递到远端。此外，施加的力会导致更小的远端运动，同时增加抗扭刚度，这提供了更精确的导管控制。扭转刚度可以用两个基于远端力矩或模量和壁厚的公式来测量：
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=扭曲的瞬间、φ=扭曲的角度。
扭结
增加弯曲运动会减小导管的曲率半径。导管在达到临界曲率半径后扭结，其管腔将被堵塞。
我们可以用以下公式计算临界曲率半径：
r=导管外径、t=管壁厚度、v=泊松比例、K=材料的扭结常数。
四、设计特点与性能的关系
根据上面列出的公式，可以在构建之前收集到相对简单的物理关系。需要注意的是，弯曲刚度和屈曲力等特性与外径的四次方有关，这意味着要实现大直径器械所需的柔软度比较困难，而小直径器械的高刚度同样很难实现。表1总结了器械设计特性和性能指标之间的关系。
总的来说，在保持所有其他特征不变的情况下，以下关系是显而易见的：
表1
扭结阻力
较低的硬度、较厚的外管、较小的内径（ID）、较厚的导管壁和较厚的线圈/编织线可提供更好的抗扭结性。此外，镍钛金属丝比不锈钢金属丝更耐扭结。
刚度和可塑性
刚度和扭转能力随着壁厚的四次方而增加。此外，更小的内径、更厚和更高硬度的外管是增加刚度和扭矩能力的特征。线圈和编织设计以及金属丝特征会影响导管的刚度和扭矩能力。不锈钢金属丝比镍钛金属丝更硬，可提供更好的扭矩。此外，与线圈相比，编织设计提供了更好的刚度和扭矩控制。
聚合物的刚度和弹性模量之间存在恒定关系（G/E：0.4-0.5）。因此，使用传统的导管设计策略去实现低抗弯刚度和高扭矩能力是不可行的。出于这个原因，我们仍然没有一个完美的导管，并且我们需要根据导管的特定性能要求来设计导管。例如，高扭矩性对于诊断导管来说是实现选择性血管插管的必要条件。然而，可扭转性伴随着高弯曲刚度，这解释了为什么我们可以将8F抽吸导管推进到大脑中动脉，但不能将4F诊断导管推进到远端颈内动脉颅外段。
五、不同的导管性能要求和设计特点
导引导管
导引导管用于为远端通路提供支撑。理想的导引导管在推送时不应反冲入主动脉，并且需要提供稳定的支撑平台。因此，刚度对于导引导管至关重要。不锈钢金属丝的硬度是镍钛合金的五倍，编织设计提供的刚度明显优于线圈。因此，设计制造商通常更喜欢不锈钢编织物。此外，通常采用更硬的外管，例如尼龙和高硬度PEBA。
微导管
到达远端小口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物/线圈设计，沿微导管具有不同的间距和PPI值。通常，近端使用不锈钢编织物来提供支撑和扭转能力；远端首选紧密的线圈，以便通过曲折的血管解剖实现更好的设备跟踪能力。此外，使用较软的聚合物（例如低硬度PEBA）外管可以防止血管损伤。
诊断导管
诊断导管主要用于选择性近端血管插管。因此，可扭转性和精确控制对于诊断导管来说是必不可少的。由于可扭转性和刚度密切相关，因此制造商在设计中通常更喜欢更硬的材料，例如不锈钢编织层和尼龙外护套。然而，可扭转性伴随着刚度的增加，导致其在远端曲折的血管系统中使用诊断导管非常困难。
远端通路和抽吸导管
抽吸流量随着内径的四次方增加。因此，薄壁和较大的内径是理想的抽吸导管设计。 然而，通过曲折的颅内血管推进大口径导管肯定不是没有风险的。因此，灵活性在大口径远端通路或抽吸导管设计中至关重要。一方面，在提供一定程度的灵活性的同时，导管的骨架还应该足够坚固，以防止导管在负压下塌陷。此外，在这些导管的远端较软部分保持可推动性存在一定挑战。因此，抽吸导管设计是医疗器械工程中最复杂的领域之一。
制造商几乎总是使用混合编织和线圈设计的大孔导管。像微导管一样，编织技术几乎用于支撑，远端线圈用于更好的器械可跟踪性和箍紧强度（在负压下不塌陷）。然而，与微导管设计形成对比的是，不锈钢钢金属丝并不占主导地位。镍钛合金金属丝提供更好的形状记忆和抗扭结性，可能会降低主动脉的反冲并在血管弯曲处提供更好的可推动性。因此，不锈钢钢金属丝和镍钛合金金属丝在大口径导管设计中同样深受欢迎。此外，较软的包被更适合大口径导管，几乎每个制造商都使用柔韧性更佳的PEBA聚合物。
展望
神经血管导管技术一直在快速发展。最近，一些内径介于0.088和0.096英寸之间的超大口径器械已进入市场，初步临床研究结果支持其安全性和有效性。此外，人们对使用可操纵微导管的兴趣越来越大，最近，FDA首次批准在神经介入手术中使用可操纵微导管。还有振奋人心的新技术即将出现，例如可操纵的磁导管。有了这项技术，计算机生成的磁场可用于导引导管并控制其远端。这可能是遥控神经介入手术的一个重要里程碑。
结论
每个导管都有独特的设计，因此具有不同的优点和局限性。通常，介入医生通过临床实践来加深他们对导管性能的了解。尽管这始终是最可靠的方法，但它也有一些局限性。市场上有各种各样的导管，通过临床实践全面了解所有导管是不切实际的。然而，至少获得导管设计的基本知识可以深入了解导管的潜在临床性能特征。因此，我们建议其他介入医师在临床实践中注意导管设计特点，并权衡临床性能和导管设计特点。只有这样，介入医生才能够在一开始选择更合适的器械，并降低与器械相关的并发症和手术时间。
