MediCafe一句话点评:科普好文!
来源:医咖&医配淘联合出品,转载需获得授权
“飞雪连天射白鹿,笑书神侠倚碧鸳”,
金庸老先生这些经典的武侠著作陪伴笔者走过了童年,著作中描述了很多厉害的兵器,倚天剑,屠龙刀,打狗棒,黑白双剑, 圣火令, 珊瑚金拐杖 ,鳄尾剪, 银钩铁划等,让人看得热血沸腾,在心里埋下了一颗武侠的种子,期待有朝一日能仗剑走天涯。之后又接触了《隋唐演义》,《七侠五义》,古龙等武侠小说,对里面的十八般武器饶有兴趣,诸如“九长九短“,”十八般武艺样样精通“等,整日沉迷于兵器谱里,让笔者度过那段难忘的青葱岁月。
从今天开始,医咖和医配淘联合制作并发布医疗器械科普好文。
长大之后有幸从事医疗器械这个行业,在这行业里一待十多年。
从一无所知,到通晓众多医疗器械耗材。在笔者看来,医疗器械和古代的冷兵器有着共同点:都是对敌作战的武器,古人十八般兵器是克敌制胜的法宝,而今医疗器械耗材是医生战胜病魔的武器,他们都是左右最终结局的重要因素。
这不禁让我产生一种将古代兵器和现代医疗器械两者建立链接的想法,依照十八般兵器谱将现代的医疗器械手术外科耗材也进行排位,建立医疗器械耗材兵器谱。
十八般兵器泛指多种技艺,其内容在各个时期有所不同。其名称,始见于元曲,为中华武艺和武器的象征。
由于该称呼来源于戏曲,我们就采用戏曲的说法,将刀、枪、剑、戟、斧、钺、钩、叉、镋、棍、槊、棒、鞭、锏、锤、抓、拐、流星锤列为十八种兵器。
近现代医疗器械可以追溯于1595年发明的显微镜,距今不过500多年历史,在此期间里产出了丰硕的成果,诞生了一系列关键器械,极大的推动了医疗器械的发展。
“大道至简”,万事万物皆有相通之处,斗胆将器械耗材与十八般兵器逐一对应,进行排序。
我们想利用这个机会重新梳理一下常用的医疗器械,重温每个医疗器械的发展史——它的过往,它的进化,它的现状,将会对它的未来有所启迪。
我们试图系统梳理每个产品的原理、设计、结构中的关键点,希望给各位读者一个新的视角,重新认识这些司空见惯的医疗器械。
“好的零部件才能造就好的产品”,我们不仅介绍产品本身,我们更开创性的分析其内部结构和主要零部件,列出了核心零部件的关键要求。
我们希望通过该系列文章追本溯源,给从事医疗器械产品设计研发的同仁一些启发,帮助大家真正理解这些产品出现的原因、设计的思路、迭代的历程,从零部件设计制造的角度更好地实现产品功能。如果对大家能有一些启发,笔者也就非常欣慰。
医疗耗材兵器谱之槊篇——介入球囊
棒,同属棍种,十八般兵器之一。棒长约五尺,以坚韧白蜡木制之。棒身两端粗细不一,一端粗可盈把,此端是握手处。往上愈细,顶端粗为八寸。棒的种类较多,《武经》记载有钩棒、抓子棒、狼牙棒、杵棒、杆棒、大棒、夹链棒七种。凡是从头到尾粗细一致,跟人的身高差不多长度的条状物叫“棍”。“棍”是可以中断的,比如一条棍分成三截叫三截棍,分成九截的叫九截棍。棍是长兵器,通长同直径,双手使用。在使用上,棍取轻灵迅疾。
而棒是从棍中演化而来,比较短粗,而且直径有变化,通常为一头沉,有时还加上铁钉加强打击力(如狼牙棒)。有单手使用的短棒,也有双手使用的长柄棒。在使用上,棒取沉重以追求打击力,不及棍法轻灵。
《西游记》中所描述孙悟空用的金箍棒虽然是少数通长同直径的棒,但两头都缠上了厚重的铜箍以加强打击力,也算"重武器",所以算棒不算棍。
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棒在所有武器中是最常见的,而在医疗耗材中,介入导管与棒一样十分常见且外形相似。导管(catheter)是由塑料(如聚乙烯等)内加高原子序数物质(如钡等)以增加X射线显影性,辅以细丝金属网以增加抗折性,而制成的具有薄壁、大腔、光滑的管状物。导管外径以F(French no)表示,即法国制单位,实际为导管的外周长(mm),6F导管即外周长6mm,相当于外直径6 / π=1.91 mm(6 / 3.14)。导管内腔直径以英寸(inch)表示,便于与导丝配合使用,常用0.0350、038 inch。导管长度以厘米表示,有80、100、120 cm等规格,可根据需要选择。胸腹部操作多使用80cm导管,脑血管多使用100cm导管,四肢血管选择120cm或更长的导管。
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01
介入导管的分类
介入导管是介入类手术最基本的耗材,广泛用于各类收入中。罗列出几种常见的介入导管。
微导管是指一种直径很小的加强型导管,用于导丝支撑/交换,通过病变,输送造影剂、药物、支架等。从微导管直径来看,目前没有严格的尺寸定义,市场的主流微导管产品直径基本在1.33mm以下,主要用于冠脉介入和神经介入术,技术壁垒较高,例如常用部分造影导管及神级介入微导管等。
导引导管是为其他介入器械提供稳定的通路,便于器械到达血管中指定的部位,在各类血管介入治疗过程中均有应用,使用范围最广。
血管介入球囊导管最初用于血管成形术,之后发展为辅助用于支架输送及血管预扩和后扩。发展到目前,已经出现了许多具有特殊治疗功能的血管介入球囊导管,例如药物球囊导管、切割球囊导管、超声碎石球囊导管、冷冻球囊导管等。最常见的血管球囊介入导管应用是冠脉介入治疗。
中间导管是一种介于常规导引导管与微导管之间的大内腔/长工作长度/高顺应性的支持导管,应用中间导管是为了使通路达到更远处,尽可能的接近目标病变,用于治疗路径迂回、急诊取栓等情况,常用于神经介入治疗。
02
介入导管的历史发展
导管(Catheter)这一词语来自于希腊文Katheter,意为流下,大家也许想当然的认为这最初起源于泌尿科,其实不然,第一个导管与灌肠有关。在古埃及时代,装灌肠剂的袋子通常是用动物的膀胱做成的,扎上针管(经常是金属管子),通过挤压袋子,物质从直肠中注入。但是,现代的导管基本上是从泌尿学导管的基础之上发展而来。
1. 泌尿学导管的发展
早在罗马时期,泌尿医师是用管子来导尿的,管子由银、黄铜、紫铜等做成,有适合男士、女士用的不同型号。有一些管子有是点弯曲的,有一些则有两个弯曲的弧度,许多不同的导管都有一定的韧性,但也有一定的硬度以利于插入。
Murphy在他的著作《导管的历史》中报告了历史上的几种导管,一种是用蜡浸透的布条包着银管就像是现在的电线,但插入之后,银管回抽,留下布导管在尿道里,但不幸的是,体温会融化石蜡,导管也就扁了。另一种设计是混合有螺旋式的银线,螺旋先用缝合的羊毛纸包起来,这种柔韧的导管可留在身体里面几天,但当时并未广泛运用。
在19世纪早期,泌尿学家有两个基本的目标:
1发明一种柔韧的、光滑的、抗尿酸的导管;2、设计一种能扩张输尿管狭窄的导管。Cazenave于1875年作出了尝试,用鲸鱼骨头或象牙来制作导尿管。
然而,当时最广为人知的导尿管是由著名的外科学家Auguste Nelaton制作的,他那笔直的,抗尿酸的硫化橡胶导尿管在19世纪初被广泛商业制作,泌尿学家的第一个目标实现了。
2. 血管导管的发展
第一个血管导管似乎于17世纪中期产生。相关的最早试验是从一动物动脉中输血到另一动物的静脉。Richard Lower于1667年在伦敦操作了一项实验:他通过导管把羊的颈动脉血输入青年男子的颈静脉中,这种导管由两根银管组成——一根连于绵羊,一根连于男子——有一根针连通这两根管。
类似的试验继续进行着,有些成功了,有些则失败了。输血被禁止了长达两个世纪,直至橡胶管用于取血和输血。其他的调查发现在18世纪和19世纪,导管用于测量血液压力,材料有玻璃,黄铜等。
正式进入人体血管的导管于1929年产生了:当时Werner Forssmann向他的上级恳求准许尝试一种新的方法——把药物直接注入心脏。Forssmann出生于柏林,他于1929年在柏林大学拿到医学学位。同年,他在Eberswalde的Auguste Viktoria Home当实习医生,在那,他的设想遭到反对。
为了向别人证明他观点的正确,Forssman拿他自己的做实验。他用放血术的手术包在皮肤上做一切口,在他的右肘前静脉插入一条导尿管,然后把导尿管推向心脏,他用X光片来证明。1931年Forssmann发表了论文描述了这一事情。Cournand在1941年首次描述了导管插入人类右心房并抽取了血样测量静脉血的氧含量,当时用的8F不透射线的带有圆顶和两个侧孔的导尿管。
1945年,Cournand和他的助手改进了测量方法,他们通过右心室采集血样,利用带有端孔的8F或9F的导尿管。这种导管的末梢3英寸处也有点轻度弯曲以利于推动。不久,Cournand的导管由纽约的USCI公司投入生产。
1953年当Seldinger介绍他的经皮血管穿刺技术时,聚乙烯也被研发出来了。这种材料可减少它的直径,当它放在沸水中后马上冷却时能够保持它的形状,但这种材料可以透射线。不透射线的聚乙烯导管是于1956年由Karolinska研究所的放射学者Per Odman研发成功的。Per Odman与Ledin一起,把重金属盐加入聚乙烯中,生产出了Odman-Ledin聚乙烯导管,这种聚乙烯导管有三种外径——“红色、绿色和黄色”。Odman-Ledin聚乙烯导管使得放射学者们能够加热塑型自己需要的导管。
3.导管的法国标度
虽然医学界都知道法国标度,但很少人知道它起源于泌尿科。在19世纪中期,扩张输尿管狭窄需要许多不同直径的导尿管,所以导尿管有了不同的标度。这时,3种不同标度产生了:法国标度、英格兰标度、苏格兰标度,这三种标度都不相同。法国标度是以1/3毫米为单位的(例如,1French的导尿管直径是1/3mm)、英格兰标度则由1/64英寸为单位,苏格兰标度也是以英寸为单位,但是比英格兰标度大1.5倍。于是就有了国际争论。更加国际化的法国标度胜出了。目前,所有的导管均以法国标度来确定它们的直径。
03
介入导管的市场规模
根据数据2018年我国医用导管市场规模为587.7亿元,2019年我国医用导管市场规模为661.5亿元,同比增长12.56%;据推测,2020年我国医用导管市场规模将达到744.6亿元。
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从竞争格局来看,国际医用导管市场的集中度较高,龙头企业较多。随着中国在制造技术、材料科学等基础科技的水平提高,医用导管企业研发水平和技术实力也在不断增强,部分企业已经具备一定实力参与国际竞争。
由于心血管介入器械的产品属性对生产工艺、生化稳定性要求极高,对于心血管接入器械研发、生产与销售来说,技术是心血管介入器械生产企业取得市场优势的第一要素。
依据技术水平、市场规模及资金实力等主要维度,中国心血管介入高值医疗器械行业的参与者主要分为三大梯队。
其中以美敦力、雅培、波士顿科学、索林集团等为代表的国际医疗器械企业处于行业发展第一梯队,我国上市医疗器械企业则处于第二梯队。从市场竞争格局来看,我国头部企业主要还是处于第二梯队,与头部外企医疗器械企业仍有差距。
微导管
近几年来,全球微导管市场发展顺利,平均增长率为 9.81%。2016 年全球微 导管销售量近 386.81万根,实际收入约为 369.61 百万美元。2020 年中国冠脉介入 微导管销量约为12万条,冠脉微导管的市场规模接近 4 亿元人民币。在未来 5 年 内,全球微导管的消费量将保持 9%以上的年增长率。
北美是微导管的最大供应商和消费市场,2016年销售市场份额接近 47%,销售收入市场份额接近 48%。欧洲排名第二位,其销售市场份额为 22%,营收市场份额超过 23%。日本作为继欧洲之后的另一个重要微导管市场,占有 10%的销售 市场份额和 10%的收入市场份额。Boston Scientific、Merit Medical、Covidien(美敦 力)、Terumo、Asahi 等是行业的领导者,掌握着关键技术和专利,已形成了在行业 中的垄断地位。
然而,随着市场的进一步扩大,未来将会有更多的制造商。根据市场销量测算,当前国内冠脉微导管市场份额基本被 Terumo、APT 以及 Asahi 三家公司所掌控
导引导管的市场规模
2018年导引导管市场规模为5.4亿元,占整个冠脉介入市场的10%。
从竞争格局上看,除支架类产品外,冠脉通路类产品仍然由外资品牌所主导,国产品牌整体市场占有率较低。从产品的注册情况来看,在导引导丝、导引导管领域,国产注册产品不足外资品牌的1/3。
目前,中国冠脉通路类产品销售额前五的厂商分别是泰尔茂、美敦力、雅培、麦瑞通和波士顿科学。其中第一梯队的泰尔茂、美敦力市场份额约为20%,第二梯队的雅培、麦瑞通、波士顿科学市场份额约为10%。
04
介入导管的未来发展
高值耗材集采政策的推进,有助于有竞争力的国内企业迅速崛起,快速提高市场份额。虽然在血管介入导管领域国内企业还未成熟,符合集采预期的产品较少,但冠脉球囊导管的集采开启了国产高端导管产品集采的大门,未来随着国产产品获批数量的增多,其他产品也有机会进入集采。
近年国产血管介入导管的获批速度增快,尤其在科技含量最高的神经血管介入领域,已经涌现出微创神通、归创通桥、加奇生物、心玮医疗等研发创新能力强的企业。
总体来看,我国血管介入导管领域国产企业崛起步伐加快,然而前行之路道阻且长。只有紧跟市场需求,坚持务实创新,不断冲破技术天花板,才能更好地拥抱机遇、迎接挑战。
微导管
过去,由于微导管价格昂贵、医保控费及专业教育缺乏等因素,微导管市场发展缓慢;未来,考虑集中采购实施、支付政策改革、指南推荐、注册审批加速以及各企业学术推广的普及等驱动因素,预计未来5年,微导管市场的年增长率将维持在 10%~20%,2025 年微导管市场规模有望翻倍达到 8 亿元。
导引导管发展趋势
随着未来技术发展,导引导管的支撑力、内径大小、扭控性及抗折性(安全性)将大大提高。理想的导引导管应当具有以下特点:大而光滑的內腔、强的支撑力、良好的扭控性、很好的形状保持能力以及柔软而可视的头端等。并且导引导管的需求会随着市场的需要持续上升。
05
介入导管的现阶段问题
目前,国产血管介入导管市场份额还比较低,面临的发展困境主要体现在:
1) 产品设计、加工工艺、细分参数上和国外巨头差距较大,还有很长的追赶之路。
2) 上市产品数量较少,产品线过于单一。从血管介入导管的应用范围来看,冠脉血管介入类国产化情况较好,其次是外周血管介入类,神经血管介入类最弱,只有少数几款产品获批。
3) 品牌认知及医生使用习惯培养欠缺。国内企业起步较晚,多数产品为近年才获批上市,在临床对品牌的认知与应用方面,无疑和较早进入国内的国际巨头形成了差距。
06
介入导管的使用
近年来随着介入手术技术与手术器械发展,介入科已经成为与内外科并列科室,成为第三大学科。血管介入治疗技术是介入科治疗技术中常见技术。血管就好像自来水管,长期使用难免会出现水管阻塞、爆裂或者需要更换配件等情况,此时就需要管道工人来进行维修,而介入科医师就相当于人体管道工。
在进行介入治疗具体操作如下:
1、首先通过微创手段在皮肤上切小口,用穿刺针穿刺进入血管内,之后建立通道,然后将特制导管、导丝顺着血管通道到达出现问题血管部位,到达指定位置后拔出导丝;
2、然后通过中空导管将治疗药物或材料送至指定位置,从而做到在血管内对出现问题血管进行治疗,从而使异常血管恢复正常,使肿瘤坏死,使血管出血停止,也可以使部分过分亢进器官功能恢复正常,使人体血象恢复正常。
07
介入导管结构
血管介入导管结构较为复杂,不同类型的导管结构设计各不相同,具有各自的特点。
从血管介入导管横断面结构看,管腔数量可分为单腔、双腔、三腔、四腔等结构;而管壁结构又可分为内层、中间层和外层三层结构。外层决定导管的形状、硬度和与血管内壁的摩擦力,通常为聚酰胺、聚氨酯及亲水涂层等材料制成;中间层是抗折的不锈钢丝或纤维丝编织结构,避免导腔塌陷;内层材料主要为聚四氟乙烯(PTFE),具有减少球囊、支架等介入材料与导管内腔的摩擦阻力,预防血栓的作用。
从血管介入导管纵向结构来看,其大致可分为柔软可视头端(具有铂铱合金显影标记)、中间段、抗折段、扭控段等部分,部分具有特殊功能的导管还具有其他结构,例如球囊导管具有球囊结构。
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微导管
微导管大体上由手柄(座)、应变释放套管、管身、示标等部分组成。
管身从设计和制造上都对微导管的性能起关键作用,微导管管身通常包含内衬、 中间加强层、外层聚合物、表面涂层等。
其中,内衬材质通常选取润滑材质(如 PTFE)以保证光滑管腔;中间加强层通常采用金属丝编织或缠绕的方式,达到增加导管强度、推送力的设计方式,在众多的微导管中,这种编织或缠绕的方式大 体分为:编织、缠绕、编织 + 缠绕(并列)、编织 over 缠绕 (多层)4 种,中间加强 层的设计代表了不同血管病变对微导管重要性能的需求,如编织 + 缠绕的设计可使 近端编织推送性好,远端缠绕柔软性好,这对于神经血管输送而言,是一个十分 好的选择,而对于 CTO 病变而言,高硬度的编织则能很好地帮助其穿越钙化;外 层的高分子材料,也是配合临床的实际用途,用一系列硬度不同的材料,进行由 近及远的力学传导,这种硬度渐变的思路,其实和中间层的设计不谋而合;
此外, 管身远端表面通常会涂覆一定长度的涂层材质(通常是亲水涂层),以提升微导管 在血管和病变中的通过性。正是这种内衬 + 中间层 + 外层 + 表面涂层的“三明治” 结构设计,造就了微导管“逢山开路,遇水搭桥”的优异性能。
导引导管结构
导引导管通常由三层结构组成,即内层为PTFE(铁佛龙)内膜层, 中层采用了不锈钢丝编织或弹簧圈结构, 外层为Pebax 材质。
同时又有远端及近端的不同硬度材质焊接组成完整导管.基本采用FEP热缩管将三层不同材质材料熔合为合适的管体.。
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08
介入导管设计要点
医用材料要与人体组织、血液、体液等接触,有的甚至永久性植入体內。因此,这类材料必须具有优良的生物体可替代性(力学性能、功能性)、生物相容性和血液相容性。
需满足下列基本条件:
(1)在化学上是惰性的,不会因与体液接触而发生反应;
(2)对人休组织不会引起炎症和异物反应;
(3)不会致癌
(4)不会发生变态反应性的过敏反应
(5)具有良好的血液相容性,不溶血,不凝血;
(6)长期植入体内,也不会丧失拉仲强度和弹性等物理机械性能;
(7)能经受必要的消毒措施而不变形;
(8)易于加工成所需要的、复杂的形状
微导管
大多数微导管的设计具有以下几个点:
润滑涂层、柔软尖端(或成角度)、中间加强层
其中,中间加强层,从设计和制造上都将对微导管的性能影响巨大。中间加强层,即为用金属丝通过编织或缠绕的方式,达到增加导管强度,推送力的设计方式。在众多的微导管中,这种编织或缠绕的方式,大体分为4类
编织、缠绕、编织+缠绕(并列)、编织 over 缠绕 (多层)
四种方式的选择,代表了不同血管病变对微导管重要性能的需求。如编织+缠绕的设计理念种,近段编织推送好,远端缠绕柔软性好,对于神经血管输送而言,就是一个十分好的选择。而对于CTO病变而言,高硬度的编织则能很好的帮助它穿越钙化。
其中,通过调节编织或者缠绕的密度节距,就能相应改变其推送和柔韧性(抗折)。
外层的高分子材料,也是配合临床的实际用途,用一系列硬度不同的材料,进行由近及远的力学传导。这种硬度渐变的思路,其实和中间层的设计是不谋而合的。
导引导管设计要点
导引导管按照功能分为四段:超软的X光可视头端(安全区)、柔软的同轴段(柔软区、传送区)、中等硬度的抗折段(支撑区)及牢固的扭控段(扭控区、推送区)。
导引导管按照材质分为三层:外层是特殊的聚乙烯塑料材质,决定了导引导管的形状、硬度和与血管内膜的摩擦力;中层是由12~16根钢丝编制结构,钢丝不同的编制方式决定了导引导管的支持力大小、内径大小及扭控性;内层为尼龙PTFE涂层,以减少导丝、球囊、支架与导引导管内腔的摩擦力,并预防血栓形成。
09
介入导管核心零部件的设计要点
微导管:
导管:镍钛合金丝编织管,管外Pebax层,管内PTFE层。
显影环:铂金线圈显影。
鲁尔手柄:标准件,方便用户操作。
【结语】
医学江湖,群星璀璨,谁与争锋!
欢迎⼤家在留⾔区说出您⼼中的医疗耗材兵器谱及其排名,让我们⼀起谱写医疗器械耗材的兵器谱,共同创造医疗器械的武侠世界。
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