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器械洞察 | 功能球囊那些二三事之一——临床作用机理

发布时间：

2025-08-05

在冠状动脉介入治疗（PCI）领域，切割球囊（Cutting Balloon, CB）和刻痕球囊（Scoring Balloon, SB）代表了斑块定向修饰技术的里程碑。它们通过主动创造可控、有序的血管壁损伤，克服传统球囊血管成形术（POBA）在狭窄扩张的局限性和不规则撕裂内膜易出现夹层等劣势，优化管腔获得并减少并发症。本文将深入剖析其作用机理，并分别阐述其在弹性纤维化病变与钙化病变中的管腔获益机制。

一、核心作用机理：应力传导与可控损伤

CB与SB的核心设计在于球囊表面整合的刚性结构（切割刀片或不同形状、材质的刻痕丝），其核心功能及机理建立在精准的力学操控基础之上。

1、集中应力，降低扩张阻力

根据帕斯卡原理，球囊压力作用于血管内壁。刚性结构在扩张中充当“力导引器”，整合刚性结构后，刚性结构接触点会产生显著的应力集中效应，将球囊扩张力集中于其下方及邻近的斑块组织，显著降低扩张病变所需的整体压力。

切割球囊利用球囊表面的3-4组沿纵轴排列的微型切割刀片，充盈时刀片锋刃首先嵌入斑块，在极低接触面积下产生超高局部压强^[1]。刻痕球囊则是利用球囊表面缠绕的单根或多根纵向或螺旋状排列的刻痕丝在扩张时“聚焦”压力于其下的斑块^[2]。

图1.切割、刻痕球囊的聚力原理

对斑块的局部压强取决于球囊刚性结构与斑块的接触面积，切割球囊因其更尖锐锋利的刚性结构具备最强局部压强作用，刻痕球囊产生的局部压强则相对较弱，不过在刻痕球囊中仍有细分，如锐性刻痕，具备刻痕球囊中更小的接触面积，其产生的局部压强高于一般刻痕球囊。

2、创造可控、定向的斑块/内膜损伤

应力集中导致斑块在刚性结构（微型切割刀片或刻痕丝）的作用下产生可控的断裂或切割痕迹。切割球囊的微型刀片在低压下纵向切割斑块，产生3-4条深度可控（通常限于斑块内或浅中层）的线性切口^[3]。而刻痕件在压力下“刻压”斑块，形成纵向的压痕或沟槽，显著弱化斑块结构完整性，引导后续球囊扩张时的裂纹沿预定路径扩展。与POBA产生的不可预测、不规则、深达外膜的撕裂不同，切割和刻痕球囊产生的是纵向、局限、深度可控的损伤。这种“主动制造微小有序损伤”替代了“被动接受随机严重损伤”^[4]。切割、刻痕球囊的应用有效降低球囊扩张狭窄病灶出现夹层甚至严重夹层概率。

图2.切割球囊和普通球囊扩张病变

二、弹性纤维化病变的管腔获益机理

弹性纤维化病变的主要挑战是高弹性回缩和抗伸展性。刻痕和切割球囊通过以下机制可以有效应对：

1、定向破坏纤维环张力

致密的纤维网络形成强大的环形张力束缚血管腔，破坏弹性纤维的连续性是克服弹性回缩的关键第一步。切割球囊的刀片产生的纵向切口可以直接切断或显著弱化这些连续的纤维束，降低后续病变的弹性回缩^[5]。刻痕球囊无法切断但也可以弱化了这些连续的纤维束，一定程度上降低病变的回缩。

图3.高压切割球囊扩张血管使弹性带断裂

2、促进延展性变形（塑性变形）

纵向损伤不仅解除束缚，还为纤维组织提供了“延展点”。在后续球囊低压扩张下，纤维组织更容易沿切口/压槽发生不可逆的拉伸和重组（塑性变形），而非仅仅是可逆的弹性拉伸。这种永久性的组织延展直接转化为更大的即刻管腔获得。基于上述两点的共同作用，切割球囊和刻痕球囊使得术后血管的急性回缩显著降低，管腔获得得以稳定维持^[4]。

三、钙化病变的管腔获益机理

对于钙化病变，切割和刻痕球囊主要通过可控的裂隙扩展提供获益，其主要机理如下：

1、创造钙化裂隙起始点

切割球囊锋利的刀片在低压下即可在钙化斑块表面或浅层的边缘处或薄弱点产生应力集中点^[6]，切割出确定的裂隙起点。这些切口成为后续球囊扩张时应力释放的“突破口”。而刻痕球囊坚硬的金属丝在压力下也可以在钙化表面压出线性凹痕（“刻痕”）或在钙化斑块表面或浅层的边缘处或薄弱点打开裂隙，显著弱化局部钙化结构，创造应力集中线和潜在的裂隙扩展路径，但相对切割球囊偏弱。锐性刻痕丝搭载高压球囊集中扩张应力弥补了刻痕球囊的这一弱点。

图4.切割球囊模拟钙化薄弱点的应力集中

图5.切割球囊扩张前后OCT图，钙环在薄弱处断裂

2、引导裂隙定向扩展

在球囊扩张阶段，压力优先作用于预先制造的切口/刻痕线或薄弱处的裂隙。这使得钙化斑块内的微裂隙倾向于沿着这些预设的纵向路径扩展和延伸^[4]。相比POBA产生的随机、不可控、可能贯穿血管壁的裂隙，切割球囊产生的裂隙更可能被限制在斑块内或沿钙化-非钙化组织界面扩展，深度可控性更好，穿孔风险更低^[7]。

图6.切割球囊处理后斑块断裂

3、弱化钙化结构，降低扩张阻力

纵向裂隙/刻痕有效破坏了钙化斑块的连续性，将其分割成若干力学上相对独立的片段。这种结构性弱化显著降低了钙化病变的整体扩张阻力，使后续球囊（或支架）能在更低压力下实现更充分的扩张^[7]。

4、钙化病变特征对管腔获益的影响

除了球囊本身，钙化的病变特征对管腔获益具有明确的影响，由于钙化病变较硬且具有不同的弧度和一定的厚度，在小角度（＜180°）的钙化病变中，只有10.7%的钙化病灶发现钙化钙化斑块断裂，而在大角度（＞180°）的钙化病灶中，钙化断发生率为85.7%^[8]。表明在实际临床小角度钙化的管腔获益更多不是来至于钙化斑块的断裂,而是非钙化部分，在大角度钙化病变中钙化的断裂对管腔的获益和后续的治疗处理则十分重要，也是刻痕和切割球囊的主战场。

据一项临床研究表明，钙化的厚度与钙化断裂概率成负相关，而钙化的角度与钙化断裂率成正相关，ROC曲线分析出的钙化断裂临界值为227°、钙化厚度为0.67mm。钙化弧度＞227°且钙化厚度＜0.67mm的钙化病变节段在扩张后钙化环断裂的发生率为86.9%^[9]。基于病变的特征，选择合适的器械，对钙化病变PCI术后的效果具有显著影响。

图7.钙化厚度和钙化角度与钙化断裂关系^[10]

参考文献

1. Inoue T, et al. Novel incision technique for resistant coronary lesions using a cutting balloon. Catheter Cardiovasc Interv. 2001.

2. Costa RA, et al. Optical coherence tomography evaluation of vessel healing after non-compliant balloons vs. scoring balloons for the treatment of in-stent restenosis. Circ Cardiovasc Interv. 2015.

3. Prati F, et al. Clinical impact of OCT findings during PCI: the CLI-OPCI II study. EuroIntervention. 2015.

4. Kubo T, et al. Optical coherence tomography comparison of percutaneous coronary intervention among scoring, cutting, and conventional balloon angioplasty for de novo coronary lesions. JACC Cardiovasc Interv. 2017.

5. Albiero R, et al. Cutting balloon versus conventional balloon angioplasty for the treatment of in-stent restenosis: results of the restenosis cutting balloon evaluation trial (RESCUT). J Am Coll Cardiol. 2004.

6. Song, X., et al., Efficacy of the Wolverine cutting balloon on a circumferential calcified coronary lesion: Bench test using a three-dimensional printer and computer simulation with the finite element method. Cardiovascular Intervention and Therapeutics, 2022.

7. Cutting balloon versus non-compliant balloon for predilation before stent implantation in calcified coronary lesions: the randomized CALCUTECH trial. Catheter Cardiovasc Interv. 2023.

8. Fujino A, Lee T, Wang W, et al. Predictors of Calcium Fracture Derived From Balloon Angioplasty and its Effect on Stent Expansion Assessed by Optical Coherence Tomography. JACC: Cardiovascular Interventions. 2018.

9. Maejima N, Hibi K, Saka K, Akiyama E, Konishi M, Endo M, et al. Relationship Between Thickness of Calcium on Optical Coherence Tomography and Crack Formation After Balloon Dilatation in Calcified Plaque Requiring Rotational Atherectomy. Circ J. 2016.