在过去的几十年里，技术的进步已经彻底改变了医疗保健。最近的治疗方法侧重于微创技术，如腹腔镜或机器人辅助手术等。血管内治疗是一种使用称为微导管的小型柔性管在血管内进行的微创方法。许多类型的程序，如打开阻塞的动脉（血管成形术）阻塞出血的动脉（栓塞）、治疗异常发育的血管 (AVM) 都是使用微导管进行的。为了满足这些不同的需求，微导管的设计已经从简单的管子变成了复杂的结构。理想的微导管应该是坚固、灵活、可跟踪和可操纵的。现有的设计不能满足所有的特性。最近的重点是导管设计，以提高可操作性。一些伟大的思想在世界各地一致工作，正在考虑本土研究和即兴设计。该评论涉及微传感设备的实施，以控制微导管中的弯曲特性，以便在曲折的脉管系统中有效通过。执行器（如聚合物导电层、压力传感器、CMOS 电路等）用于感知用于精确弯曲层的特殊控制方法。人工智能 (AI) 和深度学习技术是一些可用于优化结果和精确控制方法的潜在技术。

介入神经放射学中血管内神经外科的出现为 45 年来微创设备的新兴研究人员和设计人员奠定了基础。微导管已成为有效诊断慢性完全闭塞 (CTO) 的前沿。这些设备可用于 CTO 经皮再通顺行路径。动脉瘤血管内治疗的层次结构分为前球囊系统、球囊系统和弹簧圈系统。

1964 年，预气囊的实施标志着 Luessenhop 和 Velasquez 使用硅橡胶微导管通过颈部颈动脉完成的第一个脑动脉导管插入术。他们首先引用了导管插入术和颅内动脉栓塞术在治疗动脉瘤和畸形方面的作用。在 1960 年代中期，Frei 等人。使用了一种称为“准手术”设备（POD）的新型微导管设备。近端和远端部分分别由聚乙烯和软硅橡胶制成。微磁体嵌入在硅树脂尖端，以响应外部磁场，从而弯曲穿过脉管系统。Hilal 等人采用的 POD 微导管略有不同的版本。1974 年在 120 名患者中进行了临床试验，用于对基底动脉、大脑中动脉和豆纹动脉进行经皮导管插入术。丙烯酸作为栓塞剂用于对随机患者进行颅内血管内脑电图和基底动脉瘤的血管内电血栓形成。

塞尔比年科在 1974 年声称熟练使用可拆卸和不可拆卸球囊的惊人报告标志着球囊时代的开始。多年来，这项技术已被众多医学研究人员和设计人员广泛使用，这些技术涉及颅内动脉瘤的囊内球囊闭塞和载瘤动脉。1975 年，可拆卸的乳胶球囊尖端被应用在同轴微导管上，以治疗颈动脉海绵体瘘和巨大的海绵体内和后循环动脉瘤。Hieshima 等人设计了一种可拆卸的硅橡胶气球。用于治疗动脉瘤的囊内闭塞，但没有抵抗血管分叉的偏转尖端。在 1980 年代后期，由于延迟动脉瘤破裂的高风险，后来在 1990 年代初被弹簧圈取代，血管内球囊栓塞被确定为不安全。

三元分层微导管提供了一种坚固而有效的设计，该设计已经过修改以增强其在复杂脉管系统周围承受更大扭矩的功能能力。微导管内层和外层的材料特性是具有硅树脂层的导电聚合物。最大应力集中总是在微导管的中间层。多年来，无数的投入和材料被认为可以承受更大的三维应力。自问世以来，中间层的设计倾向一直是球囊扩张器、金属合金线圈、弹簧、编织等。其更安全、可靠和耐用的功能设计一直是设计师和研究人员的首要关注点。

诸如 Terumo、Stryker、Merit-Maestro、Boston Inc.、Mamba-flex、Progreat 等微导管的多种标志性设计一直在试验不同的材料表征或结构修改以改善其功效和无误性。增加微导管中间层的弯曲耐受性的一种新改进是使用具有导电聚合物层的微传感器和微致动器。微型设备可以通过人工智能和机器学习技术进行调整，作为其弯曲特性的控制技术。

无处不在的商业微导管变体遇到了几个结构边缘，导致其弯曲角度较低且无法承受更高的扭矩。由于固有的结构限制和力的直接传递，非常小的动脉瘤穿孔的风险相对较高，因此需要开发一个连贯和稳健的设计。

本文中所做的综述证明了一种实现微致动器的简明方法，以推断微导管中间层的精确弯曲运动。本文重点介绍了几种执行器的工艺参数和制造技术。与许多生物医学研究人员和设计人员的其他技术相比，用于微创介入手术的微导管被认为具有优越性。

2.1 聚吡咯（PPy）致动器的开发

下图 1 所示的 PPy 致动器的示意图模型如下所示，四个致动器围绕管的外部边界安装，横向于其轴线编译，它们之间有一个不间断的间隙。根据特定 PPy 层的膨胀或收缩，管弯曲伴随着剪切应力，剪切应力发生在聚吡咯层和管的尖端，就像在双金属中一样。通过固定管子的一端，四个 PPy 中的一个膨胀了 10%（自由应变）。

图 1. 用于 FEM 分析的导管模型。

上面图 2 中显示的图解说明了管径的杨氏模量对 60、80 和 100 lm 厚度的弯曲曲率半径的影响。曲线中研究的参数是 PPy 膜的厚度。对于 4 MPa 至 40 MPa 的杨氏模量，曲率半径的最小值为 50 至 57 mm。在这个区域中，最小值随着 PPy 薄膜的厚度而不知不觉地增加。

图 2. 杨氏模量对 PPy 层不同厚度的影响：20、40、60、80、100 mm 层 。

2.2. 实现压力脉冲液压致动器

液压主动导管的基本主张是使用波纹管形状的致动器来预测弯曲和一个非常小的阀门来激活流体分别通过高压和低压带通值的流动，表示通道的关闭和打开。这些值的压力范围称为驱动压力范围。活性碎片串联连接到一个管子上，该管子通过管子中不同的压力起作用。所使用的驱动液是生理盐水，以避免患者出现任何泄漏危险。液压导管的一般工作情况如下图 3 所示。

图 3. 液压输入主动导管的一般工作。

针对不同的低 (LPV) 和高 (HPV) 通带值开发了单独的驱动压力范围。尖端和底部碎片分别由微导管的 LPV 和 HPV 控制。两个活动段分别由 LP（低压）和 HP（高压）输入变化分别操作。它有 2 个用于染料注入的柔性通道，每个波纹管由硅橡胶模制而成，每个阀门中也有微立体光刻技术。下图 4 显示了一个简单的微型主动导管的双截面。

图 4. 一个简单的带有两段的微型主动导管。

2.3. 采用基于聚酰亚胺的 CMOS 集成电路

一种智能主动导管经过改进，融合了弹性聚酰亚胺聚合 CMOS 电路，以灵活地加强对设备的控制。它具有连接到遥控器的多连杆关节结构，以撬动所需的弯曲量，以浏览血管中的巴洛克式通道和体内更深的细胞。下图 5 显示了一个智能主动导管系统的示意图。

图 5 智能主动导管系统示意图。

一些新的聚合物链接在微型主动导管中得到了完善，该导管具有粘性互补金属氧化物半导体 (CMOS) 接口，用于围绕 2 mm 直径的管子进行通信和控制集成电路 (C&C IC) [12]。它有 3 根导线与外部控制设备通信。可以考虑随机链路，连接的智能记忆合金 (SMA) 执行器由集成在链路上的 C&C IC 触发。C&C IC 中的 3 根引线围绕基于 CMOS 的聚酰亚胺感应工艺，以最大限度地减小系统尺寸并简化组装工作。基于 SF 的硅反应离子刻蚀 (RIE) 和二氟化氙 (XeF2) 气相硅脉冲刻蚀用于从晶圆引出柔性互连引线的 C&C IC 芯片。

CMOS集成电路的电路原理图和结构分别如下图6(a)和(b)所示。

图 6. (a) 微导管中的电路示意图。(b) 具有嵌入式导线的 CMOS 集成电路的构造。

微导管内层和外层的标准材料选择一直是使用热固性聚合物，但对于承受大量弯曲应力且更容易受到弯曲应力的微导管中间层，材料组的标准化一直在变化 由于微导管的可追踪行为而导致剪切失效（参见表1。表 2）。

表 1 用于微导管的材料。

表 2 用于微导管设计的编织材料层的功效比较。

4.1. 主动导管在硅胶管中实施 PPy 致动器

下面的示意图模型（图 7）说明了主动微导管的设计，其外表面由硅橡胶管制成，四个铜电极沿管轴隐藏，PPy 薄膜包裹每个铜电极。在PPy薄膜和它们之间的间隙上形成一层电解质凝胶。PPy薄膜和电解质凝胶用另一管覆盖并密封。

图 7. 具有 PPy 层的主动导管的结构。

聚吡咯导电聚合物致动器的制造方法如下图所示（图 8）。在硅橡胶管上放置一层薄铜膜，同时将薄膜沿管轴分成四部分，通过使用形成狭缝 微制造方法即。激光加工和光刻技术。PPy 薄膜通过电聚合沉积在铜电极上。电解质凝胶涂在 PPy 薄膜和它们之间的间隙上。涂有电解质凝胶的硅橡胶管用另一个聚合物管或涂膜密封。

图 8. 聚合物基主动导管的制造工艺。

4.2. 带有波纹管致动器的压力脉冲设备

下面的压力控制设备示意图（图 9）描绘了由低压控制的尖端部分的弯曲角度对应于压力的大小，假设压力随着弯曲角度增加。因此，弯曲特性可以通过精确控制压力范围来改变。

图 9. 压力反馈控制设备布置图。

上面显示的压力与时间图（图 10）暗示了随着液体流动的精确弯曲特性的驱动压力范围。系统中使用注射器来加速流体流动，并量化压力变化以进行反馈控制。对不同的工作压力范围施加一定的压力，以弯曲主动微导管中的每个部分。该系统由一个略微闭合的反馈回路组成，这对于研究设备中每个部分的弯曲标准至关重要。

图 10. (a) 随时间变化的压力输入。(b) 使用脉冲波的弯曲机制。

4.3. 多链路CMOS接口电路主动导管

用作 CMOS IC 电路互连引线的材料是聚酰亚胺，因为它具有更好的柔韧性、良好的耐磨性、坚固性以及良好的热稳定性和化学稳定性。该电路最初堆叠有 5 mm 的层，作为嵌入电路表面的晶片。然后，它被背面图案化的热生长 SiO2 层所取代，作为进一步的硅蚀刻的掩蔽表面。

下面将讨论带和不带 IC 芯片的智能有源微导管的系统布置（图 11）。中心管放置在链节和线圈附近，链节和衬垫线圈之间有一个衬垫，衬垫线圈通过硅橡胶树脂层固定在内管周围。所有智能合金致动器都被拉长到 3% 的剪切应变，并使用非导电环氧树脂粘贴到链节的凹槽中。在内部线圈的外围放置一块由约 1 mm 厚的聚对二甲苯制成的薄片用于绝缘。智能合金致动器和金属垫之间的连接由导电环氧树脂制成。使用 YAG 激光修剪智能合金线圈以相互绝缘。在此过程中，必须使用激光的高能量和高效率。主动微导管最终通过充满苯的管的过程被封闭在外管内，在苯蒸发后收缩。

图 11. CMOS 集成主动导管的组装工艺和制造。

5.1. 撕裂微导管

由日本 Asahi Intecc 开发的 Tornus 微导管（下图 12）由编织结构网和左旋螺纹组成。它由 8 根直径为 0.00700 的不同不锈钢丝组成，每根不锈钢丝彼此螺旋缠绕，形成锥形微导管。导管通过旋拧现象建模。需要通过 20 转后释放的扭矩产生的能量来防止钢丝断裂。导管的固定在尖端产生旋转能量，因此适合游走。它的长度足以用于顺行而不是逆行应用。它可用于穿越抗性闭塞。与药物洗脱支架相比，这种导管的局限性在于它的成本效益低。

图 12. 环形微导管示意图。

5.2. Finecross 微导管

Finecross，一种独特而巧妙的低剖面微导管（下图 13），被考虑用于远端曲折血管的弓形狭窄病变。130 cm 和 150 cm 的双重变化允许操作员通过逆行方法估计近端 CTO。它从 2.6 到 1.8 Fr 逐渐变细，允许更好的病灶交叉性。它的特点是亲水性、柔韧性和非常明亮的远端尖端标记。聚四氟乙烯 (PTFE) 的亲水涂层，可穿透小血管以及曲折血管的远端，几乎没有阻力。在栓塞过程中，导管在远端附近容易出现剪切脱离区。

图 13. finecross 微导管的示意图。

5.3. Corsair 微型导管

Corsair 由 Asahi Intecc 开发。日本（下图 14），一种尖端技术将微导管发展为在曲折的血管和高度狭窄的病变中进行交叉。它是一种 2.7 Fr 导管，由十根金属丝编织而成，交织在一起形成不同长度的管状结构，长度为 135 厘米和 150 厘米。8 根细不锈钢丝和 2 根粗不锈钢丝的组合形成了用于微导管远端尖端的螺钉头。标志性特征是亲水聚合物覆盖 60 厘米远端尖端和钨动力软远端尖端。亲水涂层和钨动力尖端分别提供了软尖端良好的可操作性和柔韧性的特点。该设备采用了与 Asahi Tornus 导管类似的旋拧技术。微导管专门设计用于穿过器械通道。该设备可用于导线支持的顺行程序以及病变交叉。由于其较小的扭结阻力，微导管屈从于在薄而复杂的脉管系统中操作。

图 14. Corsair 微导管示意图。

5.4. Mamba 和 Mamba flex 微导管

由波士顿科学公司（Boston Scientific）设计的 Mamba 和 Mamba Flex 微导管（下图 15）由 11 根金属丝引导，带有一个灵活的锥形线圈，紧密缠绕在近端，以产生刚度、扭矩和可推动性。这些设备在 60 厘米的远端部分有一层持久的亲水涂层。线圈支架从尖端伸出 0.5 毫米，从而改善了尖端支撑并最大限度地降低了尖端分离的风险，但代价是降低了尖端的灵活性。Mamba 微导管具有更高的远端交叉轮廓，参数为 0.032 英寸、0.81 毫米和 135 厘米长，旨在为顺行交叉提供弹性导丝支撑。参数为 0.028 英寸、0.71 毫米的 Mamba Flex 微导管的较低远端交叉剖面可用于逆行和顺行交叉。缺乏有效的跟踪系统使得难以进行更好的通讯和控制。

图 15. Mamba 微导管的斜视图。

5.5. Teleport 微导管

Orbus Neich 开发的 Teleport 微导管（下图 16）由短尖端不透射线的钨层和称为 Hybacoil 的混合线圈的内部不锈钢主体组成，Hybacoil 是一种极薄的尼龙，可变形为 Pebax 以简化更大的远端柔韧性，以及亲水性 在远端部分涂上 60 cm 的涂层。Hybracoil 结构由扁平线圈外表面上的 2 根圆形和 14 根扁平线配置组成。Teleport Control 具有与 Teleport 平行的更高的远端交叉剖面。Teleport 微导管的长度分别为 135 和 150 厘米。它具有双层不透射线尖端，可提供更好的可见性和坚固性。

图 16. Mamba flex 微导管的斜视图。

5.6. Sasuke 微导管

由 Asahi Intecc 开发的 Sasuke 微导管。（下图 17）是一种双腔微导管，具有锥形软尖端和椭圆形设计，近端轴带有双不锈钢芯，以确保抗扭结。一个 6.5 毫米的线外出口端口位于尖端，它是半透明的，便于考虑导丝。微导管长 145 厘米，远端有 38 厘米的亲水涂层。

图 17. Teleport 微导管示意图。

5.7. 可操纵微导管的手柄

可转向微导管（下图 18）为精确控制巨大脉管系统内的导管尖端设定了范式转变。可转向手柄旨在在各种血管内手术中实现更好的扭矩能力和有效的导丝探查。可操纵的微导管通常分为磁性导管和主动导管，它们在机器人理论中实现了主从新概念。可操纵手柄由丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚碳酸酯制成。临床使用的可转向微导管的一般设计是 Direxion Inc. 的蒸汽形远端尖端，用于有效控制和灵巧性。手柄设计用于执行多种功能，如推/拉手柄、旋转轮（扭矩）手柄和杠杆转向手柄（摆动运动）。所采用的制造技术是用于钢丝开发和注塑成型或部件加工的快速原型制作，以及用于有效控制的电子传感器和光纤的实施。

图 18. Sasuke 微导管示意图。

5.8. XO-Cross 微导管

XO Cross 微导管（下图 19）标志着由非锥形、整体式主体和金属合金结构组成的下一代技术的起源。笔直的特点突出了轮廓沿轴长度保持 175 厘米和伴随的伸缩或同轴双支撑。单一结构提供更高的弯曲度，呈现出可推动性、扭矩灵敏度和抗断裂性的新领域。这些功能结合了真正有效的 XO Cross 平台，可沿曲折的脉管系统提供更好的探查（见图 20）。

图 19. 可操纵微导管手柄示意图。

图 20. XO Cross 微导管示意图。

微导管发明复兴的浪潮促使研究人员和医学设计师在全球范围内齐心协力地工作。其设计中的许多方面，通过应用小型化设备作为控制机制来检查劣质弯曲特性，正在积累通用标准。这篇评论文章深入了解了微致动器在微导管中控制内侧层弯曲的应用。导电聚合物致动器、压力脉冲设备、基于集成 CMOS 的 IC 等是本文重点介绍的生物医学设计师使用的一些技术。人工智能 (AI) 和深度机器学习将始终是更好地沟通和控制微导管探查的好方法。诸如拉胀材料之类的本土材料表征有可能提高其功效和稳健性。

可以通过使用微型设备来研究和验证由于较高应力集中而导致的微导管的弯曲特性，以克服剪切破裂的风险。这种弯曲问题的替代方案可以通过引入引导微导管的新设计来克服。其次，可编程微导管可以设计用于其他难以通过的血管。该设备的尖端在进入血管后可以使用从 CT 血管造影术获得的预定路径引导到其所需位置。可以应用人工智能 (AI) 和深度机器学习技术来控制远端尖端附近剪切脱离区的弯曲轨迹。具有不同材料特性的非锥形设计也可以保持总体设计考虑与标准一致。 除了不透射线的标记物之外，不同的成像技术可以用于将设备有效地跟踪到复杂的脉管系统中。

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