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J签证费用。2013; (74): 50299.
2013年4月4日在线发布。 数字对象标识：10.3791/50299
预防性维修识别码：项目经理3643177
PMID：23609143

磁共振成像下磁辅助遥控微导管尖端偏转

史蒂文·海茨,1 也许他们是赛义德,1 阿拉斯泰尔·马丁,1 Prasheel Lillaney公司,1 亚伦·洛西,2 艾琳·珍妮·叶,1 瑞恩·辛西奇,三 Loi Do公司,1 李·埃文斯,1 文森特·马尔巴,1 安东尼·伯恩哈特,1 马克·威尔逊,1 阿南德·帕特尔,1 罗纳德·阿里森,4 柯蒂斯·卡顿,5和丹尼尔·库克1
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摘要

X射线透视引导的血管内手术有几个显著的局限性，包括导管导航困难和电离辐射的使用，这些都可以在MR引导下使用磁导向导管来克服。

本工作的主要目标是开发一种微导管，其尖端可以使用MR扫描仪的磁场进行远程控制。本协议旨在描述将电流施加到微碳管尖端的微导管上以产生一致且可控的偏转的程序。

使用激光车床光刻在聚酰亚胺尖端血管内导管上制造微线圈。体外在1.5-T MR系统的指导下，使用稳态自由进动（SSFP）序列在水浴和血管模型中进行测试。向微导管的线圈施加不同数量的电流，以产生可测量的尖端偏转并在血管模型中导航。

该设备的开发为未来的测试提供了平台，也为彻底改变血管内介入MRI环境提供了机会。

关键词：生物医学工程，第74期，医学，生物工程，分子生物学，解剖学，生理学，外科学，医疗保健，卫生服务研究，导管，微导管，偏转，导航，介入，磁共振成像，MRI，光刻，成像，血管，血管内程序，临床技术

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介绍

介入医学中进行的血管内手术使用x射线引导作为导管导航的工具，通过血管系统来治疗一些主要疾病，例如脑动脉瘤、缺血性中风、实体瘤、动脉粥样硬化和心律失常，每年在全球范围内针对100多万患者1-5使用对比剂，通过手动旋转导管和干预医生的手进行机械推进，可以导航血管系统6然而，通过许多血管弯曲处的小弯曲血管变得越来越困难，从而延长了到达目标位置的时间。这给时间敏感的程序带来了问题，例如清除阻塞血管中的血栓。此外，延长手术时间会增加辐射剂量，并可能产生不良事件7-11然而，在磁共振成像下进行血管内手术可能会提供解决方案。

MRI扫描仪的强均匀磁场可以通过遥控进行导管尖端导航12,13.施加在导管尖端微线圈上的电流会产生一个小的磁矩，当它与MRI扫描仪的孔对齐时，会产生转矩13(图1). 如果单个线圈中的电流被激活，则可以通过遥控在一个平面内偏转导管尖端。如果导管尖端的三个线圈通电，导管尖端的偏转可以在三维上实现。因此，磁导向导管有可能提高血管内手术中血管导航的速度和效率，从而减少手术时间并改善患者预后。在这项研究中，我们检查了在MR引导下，将电流应用于微IL端血管内导管是否能够产生可靠且可控的偏转，作为导管导航研究的初步测试。

协议

1.微线圈制作

  1. 获取商用微导管(例如2.3F Rapid Transit Cordis Neurovascular Catheter，Raynham，MA）作为基底。
  2. 确保导管没有铁质成分，被认为是MR安全的，尺寸范围为2.3-3.0 F。
  3. 将钛粘合层和铜种子层溅射到外径为1-2 mm的绝缘管上。可能的材料包括聚酰亚胺或氧化铝（Ortech Advanced Ceramics，加州萨克拉门托）。
  4. 使用Shipley的PEPR-2400（目前由DOW Chemical以Intervia 3D-P的名称出售）电沉积正性光致抗蚀剂层。电沉积可在非平面圆柱表面上形成均匀的涂层。
  5. 光刻胶通过独特的激光直写系统（激光车床，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室开发的非商业系统）以所需的线圈形式曝光(图2A). 这是对最初在马尔巴描述的技术的修改等。14
  6. 在35°C的1%碳酸钾溶液中显影曝光的光刻胶。
  7. 通过剩余的抗蚀掩模电镀铜，形成所需的线圈。该系统可以制作螺线管和亥姆霍兹（赛道）铜图案(图2C和二维).
  8. 电镀铜后，用热显影剂去除抗蚀剂。去除铜种子层，然后去除钛粘合层。
  9. 使用收缩膜将绝缘管连接到导管尖端以完成组装。确保收缩膜覆盖整个卷曲的尖端。要组装多轴导管，请将绝缘管结构放置在彼此内部，如所示图2E.
  10. 将铜线穿过微导管的内腔，焊接到尖端的线圈上。
  11. 修改并将6英尺长的RJ11电话线缩短为3英尺长。
  12. 将从微导管后端集线器发出的铜线连接到修改后的3英尺电话插孔传输线。

2.水浴设置

  1. 在塑料盆侧面中心距底部约5厘米处打一个小孔。
  2. 通过孔插入9F Avanti Cordis血管鞘（Cordis Endovascular，Miami Lakes，FL）。
  3. 切下血管鞘的远端，留下一块4厘米长的碎片伸入盆内。
  4. 在鞘的末端，连接一个旋转止血阀或Thuoy-Borst阀，以稳定微导管的位置。
  5. 用蒸馏水填充水槽，确保仪器完全浸没。
  6. 将带螺旋尖端的导管插入血管鞘和瓣膜。
  7. 测量并记录微导管从阀门延伸至水槽的无限制长度。
  8. 将带有微导管系统的水浴器放置在MR扫描仪的磁铁内，并相对于磁铁的孔进行定向。
  9. 使用双向电话插孔将连接至导管的改进型3英尺电话电缆连接至25英尺RJ11电话电缆传输线。
  10. 将25英尺电话线的另一端连接到Lambda LPD-422A-FM双稳压电源，为设备提供高达1安的电流。
  11. 将传输线穿过波导管，电源位于5高斯线外的MR扫描仪室外。

3.血管模型设置

  1. 在实验之前，从橡胶管构建一个Y形交叉的空心血管模型。
  2. 用0.0102 M的钆喷替丁二胺（GdDTPA）溶液（Magnevist，拜耳医疗药业，新泽西州蒙维尔）在蒸馏水中填充血管模型，以在模型血管和背景之间形成对比。
  3. 按照步骤1.1至1.9所述组装微导管系统。将导管连接到电源并按照步骤2.9至2.11所述进行定位。
  4. 将微导管的尖端置于血管开口的底部。
  5. 将模型放置在MR扫描仪的磁铁内，并根据磁铁孔确定方向。

4.磁共振成像

  1. 使用1.5T临床MR系统进行成像（Siemens Avanto，SW:Syngo B13，Erlangen，Germany；Philips Achieva，SW release 2.1，Cleveland，OH）。
  2. 施加小于50 mA的电流，以可视化导管尖端位置。在MRI下，导管尖端会产生一个小的磁矩，以可视化不同形状的明显伪影，这取决于通电的线圈。
  3. 从Lambda双电源向线圈施加±100 mA范围内的可变电流，并观察尖端偏转(图3A-3C)在水浴装置中。由于尖端偏转几乎是瞬时的，因此只需施加约1-2秒的电流即可实现最大偏转。
  4. 重复并记录设定电流量的连续应用。
  5. 重复步骤4.2，同时用手推动导管，允许机械推进血管模型(图4A和4B类). 在分支点施加电流，使导管尖端偏转到所需的血管中。手动推动导管末端，将导管推进分支血管(图4C). 将导管缩回血管分叉处，并在对侧分支重复(图4D).
  6. 使用2D快照FLASH序列获取MR图像（TR=30 msec，TE=1.4 msec、256 x128矩阵和翻转角度~30°）。

5.挠度测量

使用各种计算机应用程序（任何医学数字成像和通信（DICOM）查看器）分析和测量水浴实验期间拍摄的图像的角度偏差。

具有代表性的结果

根据上述协议，在同时向组合螺线管和亥姆霍兹线圈微导管系统的两个线圈施加50-300 mA电流时，应观察到0到90度之间的偏转角(图2E). 施加电流的增加应导致微导管偏转角的增加，而电流极性的反转应导致正电流观察到的完全相反的方向的偏转(图5A-5C). 然而，偏转角度取决于几个参数。螺线管和亥姆霍兹线圈中的外加电流量和线圈匝数会改变微导管尖端的磁矩强度。此外，外部磁场的强度以及粒子磁矩和外部磁场之间的角度决定了微导管所经历的扭矩大小。最后，微导管尖端伸入水浴器的无限制长度是另一个可能改变的因素。任何这些变量的变化都会产生修改后的偏转角度。

可以使用各种类型的DICOM查看器软件从MR图像中精确测量偏转角度并进行比较。先进的偏转也可以通过通过模拟船舶模型的成功导航进行测试。

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图1。单轴线圈示意图：利用磁共振扫描仪的磁环境导致导管偏转。曾在罗伯茨出版等。200213.

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图2A。激光光刻图：激光光刻过程的设置。出版（威尔逊等。201316).

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图2B：。激光光刻线圈制造示意图：微线圈的激光车床光刻制造所涉及的步骤示意图。

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图2C。螺线管线圈：使用激光车床光刻技术在聚酰亚胺管上制作的50圈微线圈螺线管。之前在伯恩哈特出版等。201115和穆勒等。201216，以及正在出版中（威尔逊等。201317).

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图2D。鞍形线圈：用激光车床光刻技术在导管外壁上制作的亥姆霍兹（“赛道”）微线圈。之前在伯恩哈特出版等. 201115和穆勒等。201216，以及正在出版中（威尔逊等。201317).

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图2E。组合线圈：在含有亥姆霍兹线圈的较大管子内放置的导管尖端上制造的螺线管线圈。同时向两个线圈施加电流可以使导管在三维中偏转。出版（威尔逊等。201317).

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图3A：。导管偏转：应用电流可观察到的导管尖端偏转。通电线圈上的开花伪影清晰可见（箭头）。

图3B：。水浴中前后导尿管偏转：50 mA和100 mA电流的应用分别导致一致的10°和14.5°偏转。正电流导致前平面的尖端偏转，负电流导致后平面的偏转。单击此处查看图3B.

图3C。水浴中的左右导管偏转：50 mA和100 mA电流的应用分别导致11.5°和17°的偏转。正电流导致右平面的尖端偏转，负电流导致左平面的偏转。单击此处查看图3C.

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图4。导管导向和跟踪：通过血管模型控制导管偏转和导向。电流作用于螺旋导管尖端，产生可视化晕染（箭头所示）。导管以机械方式推进，并施加电流（-45 mA），使其偏转至底部血管分支（C）.然后将导管收回到位（B）.通过反向电流极性（45 mA），导管偏转并进入顶部血管分支（D）.

图4B。分叉幻影中的导管偏转：施加在导管上的电流可以成功靶向并推进到幻影的左血管分支。然后将导管缩回分支点，并引导至右血管分支。单击此处查看图4B.

图5A-C。水浴中导管偏转的几何模式：应用电流在单个平面内产生所有方向的偏转。单击此处查看图5A,图5B,图5C.

讨论

这里我们描述了MR扫描仪中微导管偏转的协议。成功的关键参数是电流的准确应用和偏转角的测量。偏转角测量不准确是本协议中最可能遇到的错误。由于介质相对于磁铁孔的定位方向略有不同，水浴实验期间MR图像中捕获的角度可能与实际值不同。为了在未来解决这一问题，可以使用位于两个不同维度的MR兼容光纤摄像头捕获图像。MR和相机图像的使用将为微导管尖端提供更准确的三维视图。

可以通过改变执行成像的参数来提高图像质量。可以使用不同的成像序列来确定是否经历了图像质量和清晰度的增加。此外，由于传输线超出了MR扫描仪控制室，磁铁室射频外壳的完整性处于次优状态，可能会降低图像质量。通过将电源线穿过穿透面板上的过滤器，可以改善这个问题。此外，使用导尿管尖端微线圈作为成像接收器线圈也有可能在导管尖端附近立即提供更高分辨率的图像。目前正在探索使用激光车削导管尖端线圈作为成像线圈的可能性。

制作不仅质量更好，而且更容易用于测量精确角度偏转的图像也是可能的。如上所述，修改影响角度偏转的变量可能会导致更大程度的偏转。此外，可以使用强度增加的3T临床MR扫描仪代替1.5T扫描仪，以增加微导管偏转的范围。这些变化可以在闭合的外加电流间隔之间产生明显的角度偏转分离。

因为该协议旨在测试控制微导管偏转的能力，所以使用的血管模型很简单，包含一个大约45°的分支点。现在，这种能力已经建立，可以在更复杂的模型中进一步测试微导管偏转。可更改的设计变量包括血管直径、血管分支的角度以及模型任何给定路径内的圈数。血管也可以是锥形的，模型由不同的材料组成，而不是塑料管，以便更接近地模拟人类的血管系统。在未来的研究中，还可以进行动物实验来进一步检验微导管的导航能力。

该协议在使用激光车床技术制造微线圈方面也存在一些限制。线宽是激光光斑大小、抗蚀剂厚度和间距的函数。激光光斑直径限制在3-5微米范围内，抗蚀剂厚度限制在25微米。此外，铜线的厚度受到线宽和抗蚀剂厚度的限制。激光直写系统曝光光刻胶会导致光刻胶中没有平行边的开口或特征。靠近种子层的底部开口较窄，因此限制了特征的最小尺寸。此外，随着线条变粗，它们会越来越靠近相邻线条。如果线太近，则铜籽晶层和钛粘附层的去除过程不能不受抑制地进行。

披露

Hetts博士获得了Stryker Corporation的资助，是Silk Road Medical，Inc.的付费顾问。

致谢

加州大学旧金山分校的Pallav Kolli、Fabio Settecase、Matthew Amans和Robert Taylor，宾夕法尼亚大学的Tim Roberts

资金来源

美国国立卫生研究院国家心肺血液研究所（NHLBI）奖（M.Wilson）：1R01HL076486美国神经放射学研究与教育学会基金会学者奖（S.Hetts）

NIH国家生物医学成像与生物工程研究所（NIBIB）奖（S.Hetts）：1R01EB012031

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文章来自可视化实验杂志：JoVE由以下人员提供MyJoVE公司