工程師的視角看介入醫(yī)療器械的設計

Laroya 先生是一位屢獲殊榮的醫(yī)療器械設計工程師。他是最近被 Volcano Therapeutics 收購的 Crux Biomedical 的顧問，并為各種初創(chuàng)醫(yī)療器械公司提供器械開發(fā)咨詢服務。

當我們想到當今介入設備和手術(shù)的驚人技術(shù)時，很難相信早在 1929 年，來自德國的醫(yī)生 Werner Forssmann 將自己置于局部麻醉下，并能夠?qū)Ч懿迦?他自己的心臟。他的勇敢行為起初受到了反對，但后來他與另外兩位醫(yī)生分享了 1956 年的諾貝爾醫(yī)學獎，因為他開發(fā)了許多人認為開創(chuàng)了現(xiàn)代心導管插入術(shù)的方法。介入醫(yī)療器械的時代已經(jīng)到來。

一、背景

人類開發(fā)工具來協(xié)助完成任務的一般概念并不是一個新概念。但在過去 20 年發(fā)生的變化是新技術(shù)突破的開始，例如更新的工程材料和更精確的工藝，這使得更好、更復雜的工具得以實現(xiàn)。醫(yī)療器械行業(yè)已從這些新技術(shù)中受益，這些新技術(shù)使醫(yī)生能夠發(fā)現(xiàn)改進的器械和治療概念，從而改善全球患者的手術(shù)結(jié)果和生活質(zhì)量。自從 Christiaan Barnard 博士利用機械灌注機實現(xiàn)第一次人對人心臟移植的那一天起，我們還沒有看到醫(yī)生和工具如此融合，以將心臟手術(shù)提升到我們今天看到的水平。然而，由于今天的介入主義者是每個設備設計的一部分，因此有一位工程師或工程師團隊幫助使今天的設備成為現(xiàn)實。工程師如何為介入設備帶來生命可以被描述為部分科學、部分“魔法”和大量創(chuàng)新。

得益于 Sven-Ivar Seldinger 博士在 1950 年代初期的努力，安全可靠的血管通路方法成為現(xiàn)實。Seldinger 技術(shù)為醫(yī)生有效地進入血管打開了大門，無需大手術(shù)即可直接進入重要器官。通過這種新的進入手術(shù)，醫(yī)生開始思考治療各種疾病的新方法。Forssmann 博士的血管導管概念成為默認工具，從局部藥物到血管支架和其他植入物，一切都通過該工具進入患者解剖結(jié)構(gòu)。但隨著血管治療手術(shù)的發(fā)展，無論是范圍還是結(jié)果，對性能更好的導管的需求都在增長。簡單的塑料管不再足以滿足技能不斷增長的醫(yī)生的需求。設備需要在交叉剖面上更小、更容易推進、更快地引入和縮回、橫向更靈活、更容易可視化——同時保持止血、無菌、拉伸和壓縮強度以及扭矩能力，同時不造成創(chuàng)傷。技術(shù)嫻熟的介入醫(yī)師正在開發(fā)治療更多血管疾病的新方法，現(xiàn)在正在推動對現(xiàn)代導管設計的需求。

二、工程設計的難題

盡管我們了解導管室每天使用的方法和技能，但推動新設備設計創(chuàng)新的技術(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，我們在無數(shù)可用的新產(chǎn)品中看到了這種變化的結(jié)果。這是設備設計的性質(zhì)和周期；今天作為設備和手術(shù)存在的東西，明天將成為不同手術(shù)中使用的相同設備，然后演變?yōu)橄乱淮a(chǎn)品，使新手術(shù)變得司空見慣。那么，從設計師的角度來看，介入設備設計的關(guān)鍵點是什么？

工程師通常會應用所有可用的工具來推進現(xiàn)代介入設備的設計。從先進的物理、小型化機制、工程聚合物、編織和線圈線等結(jié)構(gòu)增強、電子設備和復雜的用戶控制，所有這些都被用于成功的設備中。通過在器件設計中結(jié)合各種這些特性，工程師有機會“微調(diào)”設計的功能以滿足用戶需求。一個很好的例子是引導導管——一個細長的管狀結(jié)構(gòu)，有一個近端轂和一個遠端尖端，以及一個工作管腔，藥物、植入物或其他裝置可以很容易地通過該管腔。在設計引導導管時考慮的因素可能包括：

設備必須通過解剖結(jié)構(gòu)的哪個部分？

• 設備所需的路徑有多曲折？

• 設備所需的最大交叉剖面是多少？

• 設備將如何可視化？

• 什么會通過該設備？

這些問題可以用來確定設備設計本身的一些關(guān)鍵方面，例如：

• 設備工作長度和到達所需治療部位的靈活性；

• 橫向柔韌性和軸向剛度相結(jié)合，可通過曲折的路徑進行機動；

• 預設彎曲以適應設備定位和/或就位；

• 在物理上盡可能低的交叉剖面，以適應所需的小直徑血管并到達遠端部位；

• 使用標記和組件來實現(xiàn)超聲波和/或透視可視化；

• 使用先進的材料，如 PTFE 和 HDPE，為工作管腔提供潤滑性、耐化學性和工作管腔通暢性。

工程師的主要目標是利用設計技能和材料技術(shù)使這些理想特性成為現(xiàn)實。每種材料都具有特定的特性，這些特性可以實現(xiàn)設備的潤滑性或柔韌性等特性。工程師利用他在工藝設計方面的技能來操縱材料，使其能夠被擠壓、粘合、折疊或包裹、折疊或展開，成為設備本身的一部分。

盡管設備中的材料會影響其性能，但用戶接口的設計可能意味著簡單的手術(shù)和充滿復雜性的手術(shù)之間的區(qū)別。實際上，最終用戶對設備設計和使用應該既透明又直觀。理想的設備不言自明、符合人體工程學、堅固耐用且使用可靠。

三、材料

當今介入設備中使用的先進材料類型與戰(zhàn)斗機和航空航天器中使用的材料沒有太大區(qū)別。鎳鈦和鉻鈷等金屬經(jīng)常出現(xiàn)在支架和血管釘?shù)戎踩胛镏?。PTFE、HDPE 和 PA12 等工程聚合物用于導管軸和設備手柄。先進的工程纖維，如凱夫拉纖維，曾經(jīng)僅以其阻止子彈的能力而聞名，現(xiàn)在用于可操縱導管機構(gòu)和瓣膜成形術(shù)球囊導管。先進的粘合劑和熱粘合方法允許非常薄的設備接頭，可以承受臨床使用期間設備所承受的拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)力。

工程師將評估特定的設計要求，并確定哪種材料將在設計中產(chǎn)生該特性，同時仍然安全、堅固、易于制造和可靠。一個主要的例子是具有內(nèi)部構(gòu)件軸的線外球囊導管的設計。內(nèi)部構(gòu)件軸必須是潤滑的，以允許裝置以非常低的摩擦力在導絲上滑動，即使在狹窄的半徑彎曲處也是如此。內(nèi)部構(gòu)件軸還必須能夠處理設備所需的充氣壓力，這意味著用于軸的材料必須能夠可靠地結(jié)合到球囊和近端轂，以處理這些非常高的壓力。內(nèi)部構(gòu)件軸還必須提供足夠的環(huán)向強度，以使軸不會在設備圍繞狹窄的彎曲半徑前進時扭結(jié)。就像內(nèi)部構(gòu)件球囊軸一樣簡單，很容易看出該組件需要滿足或超過許多設計要求。

在某些情況下，工程師可以利用材料的某些特性來降低成本、提高強度和可靠性、減小輪廓或改善可視化。例如，許多設備采用不透射線的標記帶，通常由鉑/10% 銥制成，作為產(chǎn)品上的顯影標記，用于定位目的。但在某些情況下，金屬標記帶的連接會增加產(chǎn)品的不需要的輪廓、剛度或額外的粘合要求。對于不透射線的遠端尖端標記，工程師可以用工程聚合物（例如通常稱為 Pebax 的聚醚嵌段酰胺）替換金屬標記帶，該聚合物可以裝載 70% 的鎢。該材料可以熱成型為軸或環(huán)形部件，然后可以熱粘合到導管尖端；熱粘合減少了接頭的輪廓并加強了附著力，而鎢填充物提供了所需的不透射線。這種方法對設備成本也有積極影響；一條鉑金/10% 銥金標記帶的數(shù)量為每件 3.50 美元，而裝有 70% 鎢的 Pebax 每件售價為 0.45 美元。

有時，使用特定材料會降低設備的功能性，或者會增強設備的功能性。例如，在支架輸送導管的情況下，支架輸送導管的內(nèi)表面可以襯有諸如PTFE的潤滑材料。PTFE，通常稱為 Teflon，是一種工程含氟聚合物，在所有聚合材料中具有最低的摩擦系數(shù)。但 PTFE 的缺點是它非常光滑，以至于將其連接到任何基材上都非常具有挑戰(zhàn)性，而且可能非常昂貴。此外，PTFE 很容易撕裂，并且往往對缺口非常敏感。這意味著，作為支架輸送導管的襯里，PTFE 材料要求支架本身以及通過工作管腔的任何其他東西都非常光滑且無損傷，否則在輸送過程中可能會撕裂導管襯里，導致支架被卡在輸送系統(tǒng)管腔內(nèi)。在這種情況下，在這種支架輸送裝置中使用 PTFE 內(nèi)襯將是一個挑戰(zhàn)。如果植入物具有粗糙的邊緣、鋒利的錨點或倒鉤，工程師可以利用工程聚合物，例如尼龍12，它是一種非常堅固的聚酰胺，還提供接近 PTFE 的潤滑性，同時具有抗撕裂性和 更便宜。這意味著襯有PA12的導管，甚至完全由該材料制成的導管，至少在本應用中比襯 PTFE 的設計更可靠，也更便宜。因此，很容易看出工程師如何平衡材料選擇以設計出最佳設備。

四、接口

從最基本的意義上說，工程師面臨的挑戰(zhàn)是將人與機器、用戶與工具、最終設備與患者相匹配。介入設備成為醫(yī)生和患者之間的橋梁，使醫(yī)生能夠進入治療部位，同時最大限度地減少對患者身體其他部位的創(chuàng)傷。在某些情況下，介入裝置成為醫(yī)生自己雙手的延伸，允許植入物的定位和放置、藥物的局部輸送或栓子的清除/提取。設備設計的直觀性與易于理解的可靠用戶控制相結(jié)合，可以提高患者的治療效果，同時最大限度地減少并發(fā)癥或手術(shù)時間。除了這種直觀的功能外，該設備還必須易于可視化，以便醫(yī)生可以在臨床使用期間解釋設備的位置和位置。

設備的遠端，通常發(fā)生實際治療活動的地方，必須感覺像是設備近端的一對一延伸。無論設備的近端是簡單的魯爾接頭還是復雜的機電手柄，用戶都必須確信，無論他向設備中引入什么輸入，都會在設備的遠端產(chǎn)生直接、可預測的輸出。如果醫(yī)生向前推動或向后拉，他預計遠端尖端會前進或縮回。如果醫(yī)生扭動手柄，他預計遠端尖端會軸向旋轉(zhuǎn)。如果醫(yī)生拉回一個部署旋鈕，他希望植入部署。在理想的世界中，這些功能每次都能無縫發(fā)生。但是工程師必須應對現(xiàn)實世界的物理變量，例如摩擦力、曲折度、延長的工作長度、嚴格的設計公差和患者變異等。在介入設備的設計中，工程師必須考慮到設計中使用的每個組件和每種材料的限制。在利用材料的積極方面與材料限制之間存在持續(xù)的平衡行為。例如，如果導管必須穿過很長的距離，例如神經(jīng)血管微導管，工程師可能會選擇使用軸支撐組件，例如不銹鋼編織物，這可以增強可推動性，同時還可以增強抗扭結(jié)性。但是編織支撐會限制微導管在非常曲折的遠端脈管系統(tǒng)中的橫向柔韌性，因此工程師可以將不銹鋼線圈支撐組件集成到導管的遠端部分，從而增強遠端橫向柔韌性，同時增加箍強度 抗扭結(jié)性更好。此外，工程師可以將設備設計為采用親水涂層，從而增加導管外表面與血管壁接觸處的潤滑性，減少摩擦和血管損傷，同時進一步增強軸向和旋轉(zhuǎn)一對一運動。

醫(yī)生在手術(shù)過程中手持的東西，無論是魯爾接頭還是手柄，通常是他與位于治療部位的設備部分的唯一接口。因此，他必須確信自己對設備的輸入會產(chǎn)生一定程度的觸覺精度，從而在工作端產(chǎn)生可預測的動作。任何量的滯后、延遲、松動或纏繞都可能導致錯誤定位或未對準。在嚴重的情況下，缺乏觸覺精確度會導致血管損傷或血管/器官穿孔。為了最大限度地減少對設備的這些影響，工程師可以采用先進的設計技術(shù)，如形狀設置、預加載、先進的施工方法、支撐結(jié)構(gòu)和混合材料，以彌補各種設計缺陷。形狀設置和預加載可以采用設計具有預定義遠端彎曲的導管的形式，這使醫(yī)生能夠進入有角度的血管，并將導管的遠端尖端部分安置在血管口處，以防止它發(fā)生 當輔助設備通過它時，它不會從容器中退出。工程師可以采用先進的構(gòu)造方法（例如編織線支撐）來增強導管的軸向和扭轉(zhuǎn)控制，從而減少或幾乎消除與醫(yī)生推/拉或旋轉(zhuǎn)輸入相關(guān)的滯后?；旌喜牧系睦影ㄝS，它是使用兩種或多種材料擠壓成型的，例如具有 HDPE 內(nèi)層和 PA12 外層的導管軸；HDPE 為內(nèi)腔提供潤滑性，而 PA12 提供一對一控制所需的軸向和扭轉(zhuǎn)剛度。

沒有設備每次都能 100% 工作，因此工程師必須考慮設備本身的變量以及患者的變化，以確保安全性和功能與部署的每個設備協(xié)同工作。如果用戶輸入是設備功能操作的關(guān)鍵，則用戶接口還必須提供一定程度的控制，使醫(yī)生能夠?qū)υO備功能或患者變異性的變化做出反應，并在出現(xiàn)并發(fā)癥時提供救助手段。

工程師將這些變量考慮在內(nèi)，并可能選擇包括設計特征，這些特征旨在實現(xiàn)對原位手術(shù)的更改。這些功能可能包括可以斷開連接以實現(xiàn)安全設備回縮的控件或組件、能夠引入輔助支撐設備的額外內(nèi)腔或工作通道，以及具有雙重功能的設備控件，例如也可用作展開旋鈕的部署旋鈕 緊急外護套拆除控制接口。最終，精通的工程師在親身實踐動物研究和臺架測試后確定最終的接口設計。一個好的用戶接口必須“感覺”在手中，產(chǎn)生信心，并且在使用過程中需要最少的指導和支持。

五、最后意見

自從早期的創(chuàng)新醫(yī)生進行研究性干預以來，介入設備的設計已經(jīng)取得了巨大的進步。設備設計工程師利用先進材料、先進設計流程和介入手術(shù)創(chuàng)新來推動當今設備的發(fā)展。與普遍的看法相反，工程師通常不會自己發(fā)明醫(yī)療設備。每個工程師的本質(zhì)都是將醫(yī)生的想法轉(zhuǎn)化為有形且有用的東西——制造不僅具有功能性，而且比最初設想的東西更好的東西。來自工程師的雙手和頭腦的東西往往是臨床洞察力與工程設計方法相結(jié)合的產(chǎn)物。工程師遇到的最典型的問題是“你能做出這樣的東西嗎？” 工程師可以根據(jù)經(jīng)驗“制造”某些東西，但醫(yī)生可以根據(jù)臨床洞察力知道他想要的東西是什么，以及該東西應該如何發(fā)揮作用。

哥倫比亞著名的自行車車架制造商 Tinno Hincapie 曾說過：“為了打造出色的車架，您必須了解自行車的運動方式、反應方式，并且您必須了解騎自行車時受苦是什么感覺” . 最終，經(jīng)驗豐富的工程師必須在真實世界的臨床條件下將有問題的設備帶入真實世界的測試中，以進行第一手評估，以了解其性能如何以及在哪里出現(xiàn)問題。除了第一手測試之外，醫(yī)生和工程師之間的協(xié)調(diào)互動是獲得成功設計的最有效方式，反過來，體驗成功的手術(shù)并獲得良好的患者結(jié)果——這是您下次進行介入治療時需要考慮的事情，并提出一個很棒的新想法。