Dlaczego zwykłe stalowe igły znikają pod wpływem ultradźwięków, podczas gdy igły echogeniczne pozostają jasne

https://www.nature.com/articles/s41598-024-72620-8

Aby zrozumieć jakechogenicznedziałania igieł, należy najpierw zrozumieć podstawowe mechanizmy fizyczne obrazowania ultrasonograficznego w medycynie. Sondy ultradźwiękowe emitują do ludzkiego ciała-fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości 1,5–15 MHz. Ze względu na różnice w impedancji akustycznej (Z=ρ × c, gęstość × prędkość dźwięku) pomiędzy różnymi tkankami, występują odbicia na granicy faz. Echa odbierane przez sondę są przetwarzane na obrazy w skali szarości.-silne odbicia wydają się białe (hiperechogeniczne), natomiast słabe/nieobecne odbicia wydają się czarne (bezechowe lub hipoechogeniczne).

Ścianki zwykłych igieł medycznych ze stali nierdzewnej po elektropolerowaniu są niezwykle gładkie, a ich powierzchnie przypominają idealne lustra. Kiedy ultradźwięki uderzają pod kątem nie-prostopadłym (przypadek większości klinicznych nakłuć-płaskich), na gładkiej metalowej powierzchni pojawiają się odbicia lustrzane. Fala odbita odchyla się od sektora odbiorczego sondy zgodnie z prawem równych kątów padania i odbicia, prawie nie powodując powrotu echa do przetwornika. W rezultacie korpus igły ciemnieje lub nawet całkowicie znika na ekranie. Co więcej, mimo że pomiędzy stalą a tkanką miękką występuje różnica w impedancji akustycznej, gładka, ciągła, cylindryczna powierzchnia wytwarza niezwykle słabe sygnały rozpraszające, co sprawia, że ​​środkowy-segment wału jest szczególnie trudny do dostrzeżenia.

Igły echogeniczne pokonują to ograniczenie, aktywnie wprowadzając liczne miejsca rozpraszania wstecznego:

• Mikro-modyfikacja topografii (trawienie przez piaskowanie/mikro-wgłębienia/spiralne mikro-rowki/odbłyśniki narożne):​ Grawerowanie laserowe lub trawienie chemiczne tworzy szorstkie tekstury w skali mikronowej- lub regularne wgłębienia w odległości około 5–30 mm od końcówki igły lub wzdłuż całego trzonu, zakłócając ciągłość powierzchni. Te mikrostruktury rozpraszają padające ultradźwięki z różnych kierunków z powrotem w kierunku sondy; specjalnie zaprojektowane „odbłyśniki podstawowe” zapewniają przynajmniej częściowy powrót wiązki światła w szerokim zakresie kątowym.
• Interfejsy z niedopasowaniem impedancji akustycznej (powłoki-mikropęcherzyków z gazu polimerowego):​ Uszczelnione mikropęcherzyki (powietrze/N₂/gaz obojętny) o średnicy 1–5 μm są równomiernie rozproszone w medycznej matrycy z polimeru poliuretanowo-silikonowego. Pęcherzyki, polimer i otaczająca tkanka tworzą ogromne różnice w impedancji akustycznej, generując intensywne rozpraszanie Rayleigha. Powłoki mikropęcherzykowe mogą zwiększyć intensywność echa korpusu igły o 15–25 dB, utrzymując jasne białe pasy nawet na skomplikowanym tle.
• Projekt gradientowy i strefowy:​ Wysokiej-produkty segmentowo regulują stężenie mikropęcherzyków lub gęstość wytrawiania wzdłuż osi igły,-wzmacniając odbicie w dystalnym segmencie (końcówce) w celu precyzyjnej lokalizacji, jednocześnie umiarkowanie redukując odbicia proksymalne, aby zapobiec maskowaniu głębszych celów przez nadmierne artefakty.

Ważne zastrzeżenia: jeśli powłoki polimerowe z mikropęcherzykami są zanurzane-przez dłuższy czas lub poddawane wielokrotnym nakłuciom umożliwiającym infiltrację płynu, mikropęcherzyki mogą zostać przemieszczone, co prowadzi do tłumienia echa. Zanurzenie nie ma wpływu na typy wytrawione fizycznie, ale wiążą się one z większą złożonością produkcji. Niezależnie od mechanizmu, istotą jest sztuczne tworzenie licznych, losowo zorientowanych interfejsów odbicia/rozproszenia akustycznego w celu przekształcenia „ucieczki zwierciadlanej” w „powrót odbicia rozproszonego”, dzięki czemu igła stale „świeci” w sektorze ultradźwiękowym.