第二章　血管内超声技术及应用发展

一、血管内超声器械技术的改进

传感器的持续改进极大地带动了血管内超声成像检查的发展，利用微型超声换能器（超声探头）从血管内部成像来检测管腔大小和管壁结构，可以实时显示血管横断面解剖结构，观察粥样硬化斑块形态及性质，从而为病变评估以及经皮介入治疗提供指导。从成像功能角度来看，血管内超声检查主要依赖于IVUS探头、探头运动与回撤系统以及超声成像主机三部分。

作为实现腔内超声成像的关键技术，IVUS换能器（即超声探头及其所在的导管）的设计与制造是至关重要的问题，目前适用于血管内或心腔内成像的超声导管直径一般在2.6～10F（0.87～2.97mm），频率在20～45MHz，轴向和侧向分辨率分别可达到100～120μm和200～250μm。

目前，依照探头设计类型，IVUS导管及其相应的成像系统可分为机械旋转型和相控阵型。机械旋转型IVUS换能器以波士顿科学公司的40MHz换能器为带代表，原理主要是利用导管近端的马达驱动轴以约1800转/分钟的转速旋转单阵元换能器旋转，换能器发射或接收信号约以1°递增，这些脉冲的不同延迟时间和振幅可为每幅图像产生256个独立径向扫描线。电子相控阵系统以火山公司的20MHz多阵元阵列式换能器为代表，采用电子相控阵系统，由多个超声传感器镇元呈环形排列，通过时序调控产生图像，经过时序编码，各组传感器通过孔径矩阵优化合成图像。

就目前技术而言，机械旋转型和电子相控阵型各有特点，一般而言，前者探头中心频率更高，在各束扫描之间不存在盲区，因此得到的图像分辨率更高，也更加完整真实，但由于旋转扫描的影响，容易产生伪影，同时探头距离导管前端较远，需要更多的操作空间；而电子相控阵型探头更加靠近导管前端，不易产生伪影，但探头中心频率较低，并且每束矢量均存在少量盲区，需要重建图像。

近年来，随着超声换能器材料的发展，IVUS探头技术的发展亦有较大的进步。以上所提到的两种IVUS换能器均采用目前主流的压电陶瓷（PZT），具有成型简单、机械强度好的特点。然而，近年来伴随复合材料的不断发展［22，23］，IVUS复合材料换能器表现出高频率、宽带宽以及高分辨率的特点，其中较为成熟的为CMUTs（capacitive micromachined ultrasoic transducers），主要由很多小的空气填充电容构成，当施加偏置电压时，微型膜出现应变并由此产生声波，与PZT相比，可以提供较宽的带宽并提高敏感度，适合用于高频、微型换能器，并且可以根据直流偏置电压改变工作频率，从而可以在穿透深度和分辨率两方面获得平衡，还可实现3D-IVUS的实时成像，用于评估支架的位置以及与血管的贴壁情况，具有更大的实用价值和临床应用前景［24］。

二、血管内超声成像技术的发展

伴随IVUS在临床应用的不断推广和深入，临床对于IVUS的技术需求亦在不断增加，近年来，以虚拟组织学成像为代表的新型成像技术不断涌现，极大地丰富了IVUS的临床应用。

虚拟组织学成像血管内超声（virtual histology-IVUS，VH-IVUS）是利用反向散射的超声射频信号，通过功率频谱的处理进行分析比较，重建实时斑块分类的组织图像，对斑块性质如纤维性斑块、钙化斑块等可以进行更加准确的分辨，相较于传统的灰阶IVUS，VH-IVUS可以更加准确定性和定量分析不稳定斑块的脂质核心，对于识别不稳定斑块具有重要的临床意义［25，26］。

IVUS三维重建是近年来IVUS成像技术研究的热点之一，它利用IVUS能够实时呈现血管横断面图像的特点，对于超声探头轴向移动所产生的系列连续血管断面图像进行重建，从而获得血管腔及粥样硬化斑块的纵向结构信息，对于冠脉整体评价以及介入治疗的评估具有更大的临床价值，利用三维重建图像可以测量斑块的体积，用于研究病变的进展和消退。

血管内超声弹性成像（IVUS elastography，IVUSE）是利用不同组织力学特性不同，通过检测冠脉内斑块的机械学特性来评价其性质的一种技术，该技术将IVUS图像和射频测量结果相结合，能够测定紧张度增加而倾向破裂的区域，利用超声传感器接收管壁和斑块的射频回波信号，经过转换处理后构建反映组织受牵拉情况的横断面弹性图，为临床识别易损斑块提供新的技术方法［27，28］。

整合背向散射的血管内超声（integrated backscatter-IVUS，IB-IVUS）是通过分析超声检查时被组织反射或者散射传回探头产生的相应超射能量信息（即所谓的背向散射或射频数据）来确定斑块构成［29］，相关研究［30］显示IB-IVUS在三维重建下可以准确定量纤维、脂质以及混合性斑块成分的容积变化，从而对斑块组织成分进行定量分析提供基础。

在IVUS图像和造影图像的处理方面，过去数年里，每更新一代导管，图像质量都有很大改善，德国Essen大学最早采用“画中画”技术融合血管造影图像和IVUS图像，使IVUS图像通过一个小的视窗显示在血管造影图像上，或反之。这一技术的主要好处是能将换能器的位置与在该位置获得的实际IVUS图像联系起来，使血管内超声探头在冠脉中可以精确的定位［31］。

血管内超声技术除了用于冠脉形态学的成像外，还可以利用多普勒原理，测量冠状动脉内的血流速度。冠脉内血流速度的评价对于评价冠脉血流储备，评价微循环的功能以及介入治疗的指导具有较大的意义，最早荷兰Rotterdam大学成功地应用一种端置20MHz多普勒晶体的冠脉球囊导管，在球囊扩张前后连续记录冠脉内血流速度。该装置能在狭窄远端记录球囊扩张前、扩张时及扩张后的高质量的血流流速图形。发现球囊扩张后的最大充血反应血流速度是评价经皮冠状动脉球囊成形术临床预后的重要指标。但是导管复合式传感器在病变通过性方面的不足，且本身直径较大，可造成病变部位狭窄程度的加重，影响测量的准确性，随后，Cardiometrics公司开发了一种支持型多普勒导丝（FloWire），直径为0.36mm或0.46mm，端置12MHz或15MHz的多普勒超声探头，该导丝的操作与普通的血管成形术导丝一致，可进行重复塑形，并可以作为工作导丝用于介入器械例如球囊或支架的通过。相比超声导管，FloWire在血管内产生血流涡流更小，其柔韧性和可控性能轻松越过冠脉狭窄部位，到达冠脉远端小血管而不明显地影响血流，在冠脉血管成形术中能放在远端保持较长时间的稳定位置而不需要重复出入冠脉。由多普勒导丝测定的阻力血管最大程度扩张下（充血状态）的冠脉血流速度与基础血流速度之比称为冠状动脉血流储备（coronary flow reserve，CFR），冠状动脉心外膜血管的病变和微循环功能的改变均可以对CFR产生影响。

三、血管内超声在冠脉疾病诊疗中的应用与发展

随着IVUS在临床的作用逐渐凸显，2001年Mintz代表ACC发布了IVUS临床应用专家共识，使IVUS的临床标准化［32］。当然，IVUS是和心导管结合的有创检查技术，在操作的过程中不可避免的会有一些安全问题需要注意，IVUS操作过程中的一些并发症的发生也见于报道［33］，因此在本书中的规范性操作也做了介绍。

（一）IVUS在冠心病诊断中的应用

由于冠脉造影对于病变狭窄程度的评估基于参照血管正常的假定前提，因此对于弥漫性病变、开口病变、严重的偏心病变易于低估狭窄程度，而IVUS不受投照体位与病变位置的影响，对于血管直径、管腔横截面积能够准确测量，并可以直接显示管壁结构，从而对于上述病变以及临界病变、造影中发现的“模糊”病变具有较高的诊断价值。同时，随着工程技术的进步，VH-IVUS相较于传统的灰阶IVUS能够进一步评估斑块性质和发现不稳定斑块的存在，对于易损斑块的诊断更加敏锐。对于血管重构，IVUS可以通过提供管腔的横截面积、粥样斑块以及外弹力膜面积，从而进一步明确血管重构类型，避免冠脉造影对于病变严重程度以及冠脉血管真实大小的误判。

（二）IVUS在冠脉介入治疗中的应用

自20世纪70年代末开始，经皮冠脉介入治疗已逐步成为冠心病治疗的基石之一，伴随介入治疗技术的不断完善以及相关器械的革新发展，介入治疗的领域愈来愈广，在高危复杂病变（如左主干、分叉病变、慢性闭塞病变、重度钙化病变、弥漫性病变、再狭窄病变等）的处理以及临床预后的改善方面得到巨大发展，其中IVUS功不可没。

相比于冠脉造影，IVUS能够精确的反映左主干病变的程度、范围、性质以及参考血管的直径情况，有助于术者选择最佳的治疗策略和介入器械来处理病变，进而指导左主干病变介入治疗以达到最理想的治疗效果，同时，IVUS所获得的解剖学资料与心肌灌注显像、冠脉血流储备和血流储备分数等密切相关，因此诸多指南均推荐在左主干病变中使用IVUS进行血运重建指征判断以及治疗策略的制定、术后效果的评价。

在分叉病变中，IVUS可以辅助评价管腔内斑块分布、精确测量血管参考直径、明确主支血管与分支血管成角角度、解剖关系，从而指导分叉病变治疗策略的选择。而在慢性完全闭塞病变（CTO）介入治疗中，IVUS可以辅助判断导丝是否位于血管真腔并指导穿行在假腔的导丝进入真腔，同时，对于无残端的CTO病变，IVUS可以辅助寻找病变入口；并且在CTO病变介入治疗中由于夹层、壁内血肿以及内膜片撕裂等并发症较普通病变多发，IVUS可以辅助诊断并避免注射对比剂可能伴发的损伤加重，同时指导支架的选择和定位，因此IVUS的辅助被认为是近年来CTO介入治疗不断发展的重要贡献因子之一。

相较于冠脉造影对钙化病变检测和定位的局限性，IVUS可以通过确定钙化斑块的位置、范围、分布以及程度的判定来指导再血管化策略的选择、辅助旋磨术治疗以及判断支架贴壁状况，从而改善支架植入的临床疗效。

对于对比剂肾病或对比剂急性肾损伤高危的病人，冠脉介入术中IVUS的使用可明显减少对比剂使用的剂量，从而降低对比剂急性肾损伤的发生。

（三）IVUS对于介入治疗术后效果的评价

相比冠状动脉造影，IVUS可以提供更多支架术后即刻效果的评价信息，尤其是及时明确冠脉夹层、壁内血肿、支架贴壁不良等并发症、从而降低支架内血栓、再狭窄的发生，减少再次血运重建。对于少见并发症如支架断裂，IVUS被认为是诊断的“金标准”。

四、新兴影像技术的挑战

近年来，新的影像学技术如光学相干断层显像（OCT）、血管镜检查等技术不断涌现，IVUS作为常用的腔内影像学技术，由于其分辨率的限制，对于斑块表面薄层纤维帽、微小的内膜撕裂及糜烂、微小血栓、脂质核心等结构难以分辨，在一定程度上受到新兴技术的挑战。相对于IVUS，OCT检查分辨率更高，在识别斑块特性、血管夹层、血栓、组织裂片、撕裂的内膜、腔内血栓、组织脱垂和内膜增生等方面能够提供更多的信息，有利于早期识别高危斑块，指导临床治疗，近年，OCT对急性冠状动脉罪犯病变的研究丰富了我们对急性冠状动脉综合征发病机制的认识；但OCT组织穿透力欠佳，应用时容易受到血液的干扰，在评价斑块负荷、左主干分叉病变的指导、血管壁正性或负性重构、血管周围损伤如血肿和穿孔等方面则逊于IVUS。

五、IVUS设备的发展

在早期研究样机的基础上血管内超声显像主要用于研究，其临床应用在上世纪80年代末，超声探头的微型化使该技术的临床应用成为可能。不同的超声系统，手动旋转型、机械旋转型、相控阵型等先后被引入，对其可行性及安全性也作了详尽的研究。在过去30年中，血管内超声显像导管每2～8年更新一代。手动旋转型导管已被淘汰，临床常用的超声导管有机械旋转型冠状动脉内导管经过了Ultracross 3.2F（30MHz），Ultracross 2.9F（30MHz），Discovery 2.6F（40MHz）（CVIS），3.5F（20和30MHz）Sonicath（HP）；相控阵冠状动脉内导管：Visions Five-64F/X（20MHz），远端3F，近端3.4F（Endosonics），Volcano Eagle Eye；用于周围血管的超声导管：10F（10MHz）及8F（20MHz），Intracardiac（CVIS）等。图1-2显示早期腔内超声探头的样品。图1-3～5展示血管内超声显像系统的变迁，新型血管内超声显像系统将在本书中详细介绍。