Ogłoszenie wyników:

Jako pionierzy w zastosowaniu technologii interwencyjnej wizualizacji ultradźwiękowej, systematycznie wyjaśniamy, w jaki sposób konstrukcja akustyczna igły echo całkowicie rozwiązuje problem „zamętu przestrzennego” w zabiegach nakłucia-pod kontrolą ultradźwięków. Dzięki trójwymiarowej-symulacji akustycznej i optymalizacji mikrostruktury na powierzchni korpusu igły nie tylko uzyskaliśmy-wysokokontrastowy obraz korpusu igły, ale także w innowacyjny sposób poprawiliśmy zróżnicowanie końcówki igły i długiej osi korpusu igły. Nasza technologia „podwójnego-wzmocnienia strefy” sprawia, że ​​końcówka igły ma unikalny znak „ogona komety” lub „prześwietlenia”, a korpus igły ma ciągły, jasny znak „kolumny światła”. Umożliwia to operatorowi wyraźne i-obserwowanie w czasie rzeczywistym trójwymiarowego-położenia przestrzennego, kąta wprowadzenia i głębokości korpusu igły na dwu-wymiarowym obrazie ultradźwiękowym, co pozwala na przejście od nakłucia „prób i błędów opartych na intuicji” do „wizualizowanej precyzyjnej nawigacji”.

Problemy związane z badaniami i rozwojem:

Główne wyzwanie związane z nakłuciem-pod kontrolą ultradźwięków polega na odwzorowaniu-trójwymiarowej operacji przestrzennej na dwu-obrazie. Tradycyjna igła wykazuje niejasne obrazowanie, co powoduje utratę dwóch kluczowych informacji:

Niejasne położenie końcówki igły:Końcówka igły jest kluczowym punktem operacji, jednak jej echo często zlewa się z korpusem igły lub jest zanurzone w tle tkanki, co uniemożliwia operatorowi stwierdzenie, czy końcówka igły dokładnie dotarła do punktu docelowego (np. środka torbieli lub obok nerwu), co łatwo prowadzi do nadmiernego lub niewystarczającego nakłucia.

Dezorientacja osiowa korpusu igły:Kiedy kąt pomiędzy korpusem igły a wiązką ultradźwiękową jest mały (np. gdy droga nakłucia jest prawie równoległa do wiązki dźwięku), echo korpusu igły staje się bardzo słabe lub nawet zanika, powodując, że operator traci zdolność całkowitej oceny kierunku ścieżki igły i może jedynie ślepo regulować. Prowadzi to do dużej liczby niepotrzebnych prób nakłuć, uszkodzenia tkanek i wydłużenia czasu operacji, a także stwarza niezwykle duże ryzyko podczas operacji w pobliżu ważnych naczyń krwionośnych i nerwów.

Podstawowe innowacje technologiczne:

Nasza innowacja polega na zróżnicowanej konstrukcji akustycznej „końcówki igły” i „korpusu igły”, co zapewnia poprawę informacji:

„Soczewka akustyczna” na końcówce i struktura mikro-wypukłości:Zaprojektowaliśmy specjalne mikrostruktury powierzchniowe na nachylonej powierzchni końcówki i obszarze za nią, w odległości około 2-3 mm. Jedno z podejść polega na wytworzeniu serii mikro{3}}układów kalenicowych-wielkości mikrometrów z precyzyjnie obliczonymi głębokościami i odstępami. Te grzbiety działają jak miniaturowe rezonatory, zwiększając rozpraszanie i rezonans fal ultradźwiękowych o określonej częstotliwości, powodując, że końcówka tworzy jaśniejsze „podświetlenie” na sonogramie w porównaniu z korpusem igły. Innym podejściem jest pokrycie obszaru końcówki igły powłoką gradientową zawierającą mikropęcherzyki o różnej wielkości, tworząc efekt „soczewki akustycznej”, który skuteczniej koncentruje rozproszoną energię dźwiękową w kierunku sondy.

Makroskopowy „wzór spiralny” lub „nieciągły pas” korpusu igły:Na powierzchni korpusu igły, oprócz powłoki mikropęcherzykowej, za pomocą obróbki laserowej lub precyzyjnego walcowania utworzyliśmy również płytkie wzory spiralne lub okresowe nieciągłe okrągłe rowki. Te makroskopowe struktury spełniają dwie funkcje: Po pierwsze, zakłócają optyczną gładkość powierzchni korpusu igły, zwiększając rozproszone odbicie fal dźwiękowych, umożliwiając powrót części echa do sondy nawet pod małymi kątami, zachowując podstawową widoczność korpusu igły. Po drugie, te wzory lub rowki tworzą charakterystyczne „krzyżowe-pierścienie” lub „punktowe-echa” na obrazie ultrasonograficznym, podobne do oznaczeń na linijce, co pomaga operatorowi określić głębokość wprowadzenia igły.

Konstrukcja powłoki z „gradientem impedancji akustycznej”:Kontrolowaliśmy rozkład gęstości mikro-pęcherzyków w powłoce, tworząc niewielki gradient impedancji akustycznej w pobliżu bliższego końca (blisko operatora) i dalszego końca (blisko końcówki igły) korpusu igły. Gęstość na końcu bliższym jest nieco niższa, co powoduje nieco słabsze echa; na końcu dystalnym (zwłaszcza w obszarze końcówki igły) gęstość jest najwyższa, co powoduje najsilniejsze echa. Ta zmiana gradientu zapewnia dodatkowe wskazówki kierunkowe na obrazie ultradźwiękowym.

Mechanizm działania:

Podstawowy mechanizm jego działania polega na kodowaniu-trójwymiarowej informacji przestrzennej w dwu-obrazie poprzez wprowadzenie charakterystycznych rozpraszaczy akustycznych. Wzmocnienie końcówki igły umożliwia obrazowanie „gdzie znajduje się punkt końcowy”. Unikalna mikrostruktura nadaje sygnałowi rozpraszającemu charakterystyczne cechy, dzięki czemu można go łatwo odróżnić od korpusu igły i otaczających ją tkanek. Kiedy końcówka igły styka się z celem, zmienia się charakterystyka jej echa (np. nagły wzrost jasności lub zmiana kształtu), zapewniając operatorowi wizualne potwierdzenie wykraczające poza wrażenia dotykowe. Makroskopowa struktura korpusu igły i nachylenie powłoki rozwiązują problem „gdzie jest ścieżka”. Struktury takie jak wzory spiralne zapewniają, że korpus igły nie „zniknie” całkowicie pod żadnym kątem. Przedstawione na obrazie ciągłe „kolumny światła” o wysokim-echu i charakterystyczne wzory na nich wyraźnie zarysowują prostą trajektorię korpusu igły. W połączeniu z przestrzennym położeniem sondy ultradźwiękowej operator może dokładnie zrekonstruować-trójwymiarową orientację, kąt i głębokość korpusu igły w tkance mózgu, uzyskując operacje przypominające-perspektywę.

Weryfikacja skuteczności:

W symulacji treningu nakłuwania naczyń dokładność oceny, czy końcówka igły weszła do jamy naczyniowej, osiągnęła 98% w przypadku korzystania z naszej igły echa „podwójnego-wzmocnienia strefy”, podczas gdy w przypadku zwykłej igły echo wyniosła zaledwie 85%. W badaniach klinicznych dotyczących blokady nerwów-pod kontrolą ultradźwięków operator używający naszej igły mógł dokładniej zaobserwować efekt „oddzielania wody”, gdy końcówka igły zbliżała się do osłonki nerwu, a monitorowanie-w czasie rzeczywistym dyfuzji środka znieczulającego miejscowo było wyraźniejsze. Wzrosła skuteczność bloku, a czas operacji skrócił się średnio o 25%. Wieloośrodkowe-badanie wykazało, że w fazie zakładania nakłucia przezskórnej nefrolitotomii (PCNL) przy użyciu naszej igły odsetek udanych jednorazowych nakłuć docelowego kielicha nerkowego znacznie się poprawił, a liczba-wykorzystań fluoroskopii rentgenowskiej i całkowita dawka promieniowania podczas operacji uległa znacznemu zmniejszeniu.

Strategia i filozofia badań i rozwoju:

Wierzymy, że: „Istota przewodnictwa ultradźwiękowego polega na rozciągnięciu «oczu» sondy aż do czubka igły.” Nasza strategia badawczo-rozwojowa opiera się na odwrotnym myśleniu, nie wychodząc od materiałów, ale od wizualnych potrzeb poznawczych klinicystów. Dokładnie zbadaliśmy problemy związane z obciążeniem poznawczym i oceną przestrzenną, z jakimi borykali się chirurdzy przed ekranem USG, a następnie rozwiązaliśmy je, używając języka inżynierii akustycznej. Zaprojektowaliśmy nie tylko igłę, ale kompletny „system języka wizualnego”, pozwalający igle „mówić” na obrazie, wyraźnie informując chirurga o jej pozycji, kierunku i stanie.

Perspektywy na przyszłość:

W przyszłości będziemy badać technologie „aktywnego obrazowania” i „pozycjonowania przestrzennego” powiązane ze sprzętem ultradźwiękowym. Kierunki badań obejmują: opracowanie korpusów igieł ze zintegrowanymi przetwornikami mikro-ultradźwiękowymi w celu uzyskania obrazowania ultradźwiękowego w przód od końcówki igły; badanie dopasowania materiałów powłokowych do sekwencji emisji układu ultradźwiękowego w celu uzyskania obrazowania o super-rozdzielczości przy określonym, zakodowanym wzbudzeniu; badanie kombinacji elektromagnetycznych lub optycznych czujników pozycjonowania w celu nałożenia trójwymiarowych-współrzędnych przestrzennych korpusu igły na obraz ultradźwiękowy lub trójwymiarowy-model rekonstrukcji w czasie rzeczywistym, aby uzyskać prawdziwą nawigację w „rzeczywistości rozszerzonej”. Naszym celem jest uczynienie igły echo inteligentnym i interaktywnym węzłem nawigacyjnym w interwencyjnej chirurgii ultradźwiękowej, a nie tylko obiektem do obserwacji.