中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

颅内自膨式支架——瘤颈架桥支架

2021-06-08

今天想简单地聊一聊颅内的自膨式支架,特别关注瘤颈架桥的支架们。

支架,众所周知,是一种治疗狭窄等疾病的管状医疗器械。颅内大部分支架的设计,均来源于既往(外周与冠脉)的参照和经验,由于定量评估较为困难,因此只有少数研究针对各类机械性能对支架进行了评估。到了颅内自膨式支架的领域,这个评估就更少了,所以我们姑且看看现存的报道证据,不过仅局限于没有商业赞助和冲突者。

图1 部分颅内自膨支架的特性及优缺点(表中数据来源于美国David Geffen School of Medicine at UCLA研究者Nancy McLaughlin教授等,针对既往公开报道和文献的整理)
2017年,韩国Universityof Ulsan College of Medicine的研究者们报道了,对主要的四种颅内支架进行验证测试的结果。其中Neuroform和Enterprise属于激光切割支架,Leo和LVIS则属于编织支架,四种测试支架的规格型号如下图2。当然不同直径和长度的支架,径向支撑力等指标是存在差异的,测量方式不同,结果也是不一致的。此处研究者表示,因获取支架的途径、数量均有限,故不能做到完全一一对应。

图2 测试的四种支架(A)Neuroform 4.0*20.0mm;(B)Leo 4.5*40.0mm;(C)LVIS 4.0*35.0mm;(D)Enterprise 4.5*22.0mm
图3 测试的四种支架的性能(注意两个径向支撑力所指并不同,Radiol force 1指的是平行于支架主体施加,使得支架直径变为未约束状态下一半的力—压扁;Radiol force 2则是圆周方向施加于支架主体,使得直径变为一半的力—圆周压缩)
当然如果有这么简单就好了,我们再来看下2018年比利时Benjamin Mine教授(University Hospital Erasme)等的报道,他们将颅内自膨支架的机械、血流动力学和临床特征的研究综合整理如下图4。研究者们同时亦提到,随着行业的快速调整和产品改进,将先前版本支架的研究结果推论到新一代上是存在风险的。

图4 颅内支架机械、血流动力学和临床特征的研究
体外测试不能给出的回答,我们可以部分地参考CFD(Computational fluid dynamics)。2010年5月欧洲研究者Ignacio Larrabide教授(Universitat Pompeu Fabra)等,首次使用了虚拟支架释放(Fast virtual stenting,FVS)的计算方法,发现其与体外测试的结果相似,并建议可采用计算机模拟为颅内器械的使用提供更多信息。

图5 用于验证的两个商用支架(Stent 1:Enterprise;Stent 2: Silk),Micro-CT的等值面重建。右下角为与每个支架一起呈现的,用于虚拟释放的支架单元设计
图6 体外测试与虚拟支架释放的比较,(a)对应支架1;(b)对应支架2。左,支架在体外测试中的释放;中,计算机模拟的虚拟支架;右,两者叠加。支架1在92次迭代中释放时间为7秒,支架2在226次迭代中释放时间为59秒
这其中,编织支架又要更特殊那么一点点。譬如2018年的另一篇报道,Rush Medical Center的Demetrius K. Lopez教授等,尝试使用基于ANKYRAS(Galgo Medical SL)软件来预测编织自膨式支架在释放时长度的变化,从而有助于临床更好的选择支架尺寸。在回顾性分析了13例LVIS支架治疗颅内动脉瘤患者的术前、术后血管造影资料后,研究者们记录了三个重要参数:1)支架的标称长度;2)ANKYRAS软件模拟的支架长度;3)支架释放后的测量长度。发现支架的实际长度较标称变化高达50%,平均为20%,还观察到长度变化可能为负,即最终长度可能小于标称长度。标称长度和测量长度的平均差异为-3.8mm,即标称长度平均比测量长度短3.8mm,而模拟长度仅比测量长度平均短1.2mm。(商用支架的标称长度一般很难考虑到载瘤血管的不均匀大小,而通常自膨支架释放时远端会沿着动脉的长度逐渐变细,这就是标称长度并非可靠的主要原因)

图7 支架释放后的长度变化分布的直方图,((测量长度-标称长度)/标称长度)*100%(研究者认为,这种长度的差异与术者释放的技术亦有关系)
图8 软件模拟长度与测量长度之间的差异,平均差异为1.2mm(中值 0.61mm)(软件也做不到很准啊,但是比毕竟引入了血管解剖,比标称好一些)
如果说颅内血管的复杂迂曲已给自膨支架的释放增加了多变性,那么不同编织支架的性质又给这个过程增加了更多的不确定性。

此处,可直接看今年3月刚发表的,National University of Ireland Galway的Ciara G. McKenna教授和Ted J. Vaughan教授撰写的“A finite element investigation on design parameters of bare and polymer-covered self-expanding wire braided stents”(裸、聚合物覆膜的自膨式金属编织支架设计参数的有限元研究)(这俩教授名字怎么看起来这么眼熟)。已知,金属丝编织支架(不管它在气管、脑、外周还是消化道)的功能特性在很大程度上受到几何特征的控制,包括编织角、金属丝密度、丝直径和编织图案,此外,金属丝的材料特性也是性能的重要影响者。在研究者开发的计算框架预测下,他们发现编织角是一个关键的控制参数,它决定了金属编织支架的径向力和抗扭结性能;而聚合物覆膜通过限制单根金属丝之间的滑动和旋转能力,导致所有编织角度上的径向响应更硬,且更容易弯曲或扭结,尤其是在覆膜更厚/更硬时。

图9 该研究中用于模型验证的裸、覆膜支架几何形状,考虑到了不同编织角度和覆膜厚度
图10 不同编织角度下的径向力(a),Exp 体外测试,Comp 计算机模拟;2.4mm下卷曲测试支架的伸长率(b),Experimental 体外测试,Computational 计算机模拟
图11 编织支架的抗扭结性能随着编织角的增大,以及覆膜厚度的增加而降低
另外关于径向力方面,增加镍钛锘金属的弹性模量、金属丝密度和直径,均会使得支架初始径向硬度线性增加;而具有更小编织角的编织支架更有可能具有较大的初始径向力,但随着编织支架的变形释放,其径向曲线也渐趋平稳,差异随之缩小。而金属丝的密度和直径均没有对扭结性能产生显著的影响。

事物总是相对发展的,笔者快结束本文的时候刚刚看到,截至目前还没有发表,只是preprint(还没有peer-reviewed)的另一篇文章中,德国研究者又将编织血流导向装置(Braided flow diverters)重新放置回3D打印的患者脉管系统模型中,使用激光来测量支架的流动性、孔隙率和覆盖率,并首次开发了新测试方法以实时研究释放过程中,不同直径上FD的弯曲、周向和纵向径向力,并认为较之计算机模拟更为准确。不过毕竟该文尚未发表,今天就不继续展开了。

图11 (a)左颈内动脉瘤女性患者的DSA图像;(b)从原数据中分割出血管腔,并去除侧枝以简化模型;(c)3D打印模型,将动脉瘤囊从红线处剪开以更好地使用激光显微镜,对支架表面成像;(d)用于孔隙率和覆盖率计算的镜下图像
最后的最后,看一个动物模型中激光雕刻与编织自膨支架,内皮化和血栓情况的比较。曾就职于德国Acandis GmbH公司的工程师牵头,于去年12月份发表在Journal of Material Science上的报道,使用了36枚自膨式支架(18枚激光雕刻支架Acclino;18枚编织支架Accero),分别植入12只兔子的右锁骨下动脉SA、左颈总动脉CCA和腹主动脉AA中,其中SA和CCA管径小,约为2mm,代表了支架/管腔比中的最差情况,并为了提供类似的金属覆盖率,研究者分别选择植入了2.5*10mm的编织支架和4.5*15mm的激光雕刻支架(保证同一截面具有相同的支架小梁数,但同时也影响了收缩和径向力)。AA则均选择直径为4.5mm的支架,长度方面编织支架为15mm,激光雕刻支架20mm。为体现最坏情况,所有动物植入前后均未使用抗血小板药物。除了锁骨下动脉SA外,所有植入支架的血管直径都有增加的趋势,编织支架更为明显。但与激光雕刻支架相比,植入3天后的颈总动脉编织支架内血栓发生率(100%)明显升高,并与内皮受损有关;在28天的长期随访中,锁骨下动脉SA和腹主动脉AA中植入的编织支架可观察到支架区域的开裂现象,原因仍有待商榷。

图12 动物模型植入支架示意图,以及(A)两种支架,编织支架Accero位于上方,激光雕刻支架Acclinoflex/Credo位于下方
图13 左列 激光雕刻支架;右列 编织支架。(A)和(B)颈总动脉植入3天后,星号代表血栓;(C)和(D)植入28天后,白色箭头显示了中膜中弹性纤维的压缩;(E)和(F)锁骨下动脉植入28天后的横截面图像,显示内膜增生
文章来源:MiHeart