三维超声成像产品安全性、有效性评价思考

【摘 要】该文对三维超声成像产品进行全面的介绍，并对其安全性、有效性的评价进行思考，从技术审评的角度提出看法，以期

对三维超声成像产品设备注册及技术审评有所帮助。

【文献标志码】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2015.05.015

收稿日期：2015-04-27

作者简介：郭兆君，E-mail: guozj@cmde.org.cn

文章编号：1671-7104(2015)05-0358-03

Safety/ Effectiveness Evaluation Consideration of Three-Dimensional Ultrasonography Products

【 Writer 】GUO Zhaojun Center for Medical Device Evaluation, CFDA, Beijing, 100044

【 Abstract 】This article introduces three-dimensional ultrasonography products comprehensively, considers the evaluation of their safety and effectiveness and gives some opinions on technical review. It is hoped to be helpful for three-dimensional ultrasonography products registration and technical review.

【Key words 】three-dimensional ultrasonography, safety, effectiveness, technical review

人们使用医用超声设备获得三维的图像信息用于临床诊断已有多年的历史。随着技术的不断进步，三维超声成像产品的成像方式越来越多，新产品层出不穷，也获得了越来越广泛的临床应用。虽然三维超声成像技术已出现多年，但在国际、国内尚未出台专门的指导原则等文件，在监管上缺乏相关的借鉴资料，生产企业在申请医疗器械注册时仍存在一定的困难。本文对目前形成产品的三维超声成像技术进行全面的介绍，并对其安全性、有效性的评价进行思考，从技术审评的角度提出看法，以期对三维超声成像产品注册申请及审评相关人员有所帮助。

1　三维超声成像产品技术特点及临床应用简介

三维超声成像的基本原理为：将采集的一系列二维超声断面图像用叠加的方法构成人体器官的三维图像。按照成像实时程度不同分为静态三维超声成像和实时三维超声成像 (也称为“四维超声成像”)。

1.1 静态三维超声成像

静态三维超声成像是一种非实时的三维超声成像，采集一个三维图像(数据)需几秒钟或几分钟时间，可用于活动性不高的人体组织的临床检查。在扫查之前，事先规定好探头的移动轨迹，扫查过程中记录二维图像和每幅图像的几何位置，将这些信息存入超声诊断仪或外部计算机系统，然后由相应的软件重构获得三维图像。根据夹持探头的方式不同，主要分为自由臂三维超声成像和机械定位三维超声成像。

自由臂探头是由医生手动按计划的轨迹移动探头，可以利用位置传感器记录每幅图像的几何位置，也可以仅仅假设探头做均匀、平稳地运动，根据移动的距离和花费的时间来估计出二维平面的间隔。通常用于躯干、肢体浅表较大区域组织的成像，如较长的肌肉、脊柱外侧等。不使用位置传感器的成像方式由于不能准确地给出每幅图像的几何位置，获得的三维图像在与二维图像平面垂直方向上有失真，只能大致地指示人体内部的结构。虽然有些厂家的产品可以通过二维图像中斑点模式和图像特征的相关分析来跟踪探头的移动，获得更为准确的结果，但是临床上仍然不能用来做准确的测量。利用位置传感器的自由臂成像功能可以获得更为准确的结果，但这类产品受成本和临床应用范围的限制，在临床上很少见。

近些年比较热门的是用于乳腺的三维成像设备。机械装置带动一个宽达20 cm的线阵超声探头，沿着乳腺表面做直线运动，一次性获得双侧乳腺的多幅二维图像，再将存储的二维图像进行三维建模，获得乳腺的三维图像。

还有一种全息超声成像技术，也可以获得非实时的三维图像，用于乳腺的三维成像。一般的超声成像是利用超声传播过程中遇到不同介质界面时发生反射的回波信号成像，而全息超声成像技术利用的是两束传播方向成夹角的透射超声束的相干作用，对乳腺逐层进行成像，然后利用类似激光全息的方法重建三维图像。这类产品很少见，国内尚未有产品上市。

1.2 实时三维超声成像

实时三维超声成像1 s可采集几个到几十个三维图像，实时地显示人体结构，可用于活动性较高的人体组织（例如心脏、胎儿等）的临床检查。根据探头分为机械扫查实时三维超声成像和电子扫查实时三维超声成像。

机械扫查实时三维超声成像，是由马达驱动的旋转机构带动二维B超探头以一个转轴为中心摆动，将采集的一系列二维断面图像数据和相应的间隔角度数据(断面间的间隔通常不等同)组成一个三维图像数据，系统后端做三维重建。不断重复，从而得到实时更新的三维图像。此类产品是目前市场上三维超声成像的主流产品，很多国产和进口企业的影像型超声诊断设备都具有该功能。相比实时电子扫查的实时三维超声成像，机械扫查实时三维超声成像由于受到机械结构摆动速度的限制，其体数据帧频较低，不能很好地用于对帧频要求高的应用（如心脏实时三维成像）。普遍用于产科胎儿的三维成像，性能比较好的产品可以清晰的呈现胎儿的解剖结构，具有较高的诊断价值，而性能较差的产品，通常仅用于胎儿面部轮廓成像，可用于唇腭裂的诊断。有一些产品利用心率门控功能将多个心跳周期采集到的图像整合到一个心跳周期内以获得实时性较好的心脏三维图像，但是仅适用于跳动相对规律的心脏，适用范围受限。

电子扫查实时三维超声成像，是用二维面阵探头，也就是用二维相控阵实现声束在空间的偏转，直接采集三维数据。通常二维面阵探头由几十乘几十个阵元或几十乘上百个阵元组成二维阵列。由于没有机械旋转机构摆动速度的限制，可实现更高的图像更新频率。该功能由于体数据帧频高，可以用于心脏成像。技术门槛高，目前仅有几家进口大公司有相关的产品上市。

2　三维超声成像功能安全性、有效性的实验室评价

2.1 安全性评价

三维超声成像功能的安全性评价主要考虑电气安全、声能安全和生物相容性。

电气安全主要是考虑相关安全标准的符合性，包括GB 9706.1—2007《医用电气设备 第1部分：安全通用要求》 [1]、GB 9706.9—2008《医用电气设备 第2-37部分：超声诊断和监护设备安全专用要求》 [2]和YY 0505—2012《医用电气设备 第1-2部分:安全通用要求并列标准:电磁兼容要求和试验》 [3]。

声能安全按照国际电工委员会（以下简称IEC）的思路，主要是考虑声参数公布和实时的指数（机械指数MI、热指数TI）公布，以向使用者告知设备可能产生的最高声能数值并实时显示当前可能产生的机械效应、热效应情况，提醒使用者在确保满足临床要求的基础上尽可能地使用最低的声能。美国食品药品监督管理局(FDA)在2008年发布的《诊断类超声系统及探头上市申请指南》(Information for Manufacturers Seeking Marketing Clearance of Diagnostic Ultrasound Systems and Transducers)中对于设备的声能辐射规定了限值 [4]，普遍被采用的是TRACK 3的要求，即MI指数不超过1.9，I spta.3指数不超过720 mW/cm 2。目前此要求已在国际上被广泛采纳，产品在美国、欧盟、韩国、日本上市申请时，均需要满足声能限值的要求。我国食品药品监督管理局2010年发布的《影像型超声诊断设备(第三类)产品注册技术审查指导原则》没有对声能的限值进行要求 [5]，主要沿用了IEC的思路。但目前技术审评中，已经开始对声能的限值进行考虑，主要考察说明书中公布的情况。

生物相容性主要是采用标准GB/T 16886—2011《医疗器械生物学评价 第1部分：评价与试验》的评价思路，结合产品预期接触的患者部位（皮肤、粘膜等）对产品进行生物学评价 [6]。对于使用护套的产品，由于不与患者发生接触，可以认为没有生物相容性方面的风险。而不使用护套的产品，虽然在接触患者时使用耦合剂，但仍然不能避免与患者接触的可能，所以仍需要进行生物相容性评价。

2.2 有效性评价

三维超声成像功能的有效性评价主要分两部分：二维图像的质量评价和三维图像的质量评价。

由于三维成像功能有些是由二维图像构建获得三维图像，虽然有些体数据直接获得，但是也同时给出互相垂直的三个方向切面的二维图像，还有些在获得三维数据之后，可提供任意切面的二维图像，所以应对三维超声成像功能提供的二维图像的有效性进行评价。主要是参照GB 10152—2009《B型超声诊断设备》 [7]的要求及YY 0767—2009《超声彩色血流成像系统》 [8]的要求，包括工作频率、盲区、探测深度、分辨力（侧向、轴向）、几何位置精度、血流探测深度、血流速度测量精度等指标。

三维图像质量的评价，对于不使用位置传感器的自由臂三维超声成像设备无特殊的技术参数要求，主要考虑其三维图像只是给出大概的轮廓，并不是准确的图像，其临床应用也不对三维图像的准确性有太多的要求。其他的三维超声成像设备的实验室有效性评价，主要考虑以下参数的测量：探测深度、盲区、分辨力、几何位置精度、体积测量。区别于二维图像的评价，这些参数都是指三维图像的性能指标，是在获得的三维图像基础上的检测。其中分辨力，由于原理的限制，除二维面阵探头的实时三维成像功能外，其他功能的C平面（即与声束传播方向垂直平面）图像通常图像质量较差，预期不用于临床诊断，对于这些功能的C平面图像，不对分辨力做要求。探测深度、盲区、分辨力、几何位置精度和体积测量可参照标准YY/T 1279—2015《三维超声成像性能试验方法》的实验方法 [9]。

体数据帧频是反应三维超声成像实时性的重要指标，对于实时三维超声成像功能的评价具有重要的意义。但对于同一台设备，体数据帧频与成像体积大小、图像的分辨力要求等参数密切相关，成像体积越小、图像分辨力要求越低，体数据帧频就越高。目前体数据帧频测量的实验方法很难在厂家之间达成共识，而在实验方法不统一的情况下，单纯盲目地追求体数据帧频，并不是一个科学的做法。所以在有通用的实验方法、测量体模出现之前，对体数据帧频要求实验室测量，可能会带来很多问题。

3　三维超声成像功能的临床评价

根据《免于进行临床试验的第二类医疗器械目录》 [10]和《免于进行临床试验的第三类医疗器械目录》 [11](以下合称《目录》)，满足《目录》中描述的用于腹部器官和部分浅表组织器官成像的II类超声脉冲回波成像设备可免于临床试验。对于这类产品，按照《医疗器械临床评价技术指导原则（征求意见稿）》 [12]（以下简称“征求意见稿”）的思路，临床评价资料可提交申报产品相关信息与《目录》所述内容的对比资料和申报产品与已获准境内注册上市同品种医疗器械的对比说明。其它三维成像产品未包含在《目录》中，不能直接豁免临床试验。

大部分的三维超声成像产品已有大量同品种产品上市，也已积累了很多的临床数据，按征求意见稿的思路，可以对同品种医疗器械临床试验或临床使用获得的数据进行分析评价。

对于没有已获准境内注册上市同品种医疗器械的比较少见的产品，如全息超声成像设备，或与已上市同品种产品差异较大的设备，如采用新的二维面阵探头的设备，按照征求意见稿的思路，应考虑进行临床试验。临床试验可借鉴《影像型超声诊断设备（第三类）产品注册技术审查指导原则》的思路进行。

4　结语

三维超声成像产品种类多、临床应用范围广，是影像型超声诊断设备中重要的功能之一。其实验室验证主要考虑电气安全、声能安全、生物相容性和性能指标四个方面，对于不同的技术、不同的临床应用，其实验室验证要求应有所区别。临床评价应根据产品情况进行区分，有的仅需要对《目录》和同品种器械进行对比，有的可对同品种器械的已有数据进行评价，有的需要进行临床试验。