Offentliggørelse af resultater:

Som pionerer inden for anvendelsen af ​​interventionel ultralydsvisualiseringsteknologi har vi systematisk forklaret, hvordan det akustiske design af ekko-nålen fuldstændig løser problemet med "rumforvirring" i ultralyds-guidede punkteringsprocedurer. Gennem tre-dimensionel akustisk simulering og optimering af mikrostrukturen på nålens kropsoverflade opnåede vi ikke kun høj-kontrastvisning af nålens krop, men forbedrede også innovativt differentieringen af ​​nålespidsen og den lange akse af nålens krop. Vores "dual-zone enhancement"-teknologi gør, at nålespidsen præsenterer et unikt "komethale"- eller "highlight"-tegn, og nålens krop præsenterer et kontinuerligt lyst "lyssøjle"-tegn. Dette sætter operatøren i stand til klart og i realtid-at opfatte den tre-dimensionelle rumlige position, indføringsvinkel og dybde af nålens krop i det to-dimensionelle ultralydsbillede, hvilket hæver punkteringen fra "trial and error baseret på intuition" til "visualiseret præcis navigation".

Baggrundssmertepunkter for forskning og udvikling:

Kerneudfordringen ved ultralyds-styret punktering ligger i at kortlægge den tre-dimensionelle rumlige operation på et to-billede. Den traditionelle nål viser uklar billeddannelse, hvilket resulterer i tab af to vigtige stykker information:

Uklar nålespidsplacering:Nålespidsen er det centrale punkt i operationen, men dens ekko blander sig ofte med nålens krop eller er nedsænket i vævsbaggrunden, hvilket gør det umuligt for operatøren at bekræfte, om nålespidsen nøjagtigt har nået målpunktet (såsom midten af ​​en cyste eller ved siden af ​​en nerve), hvilket let fører til overdreven eller utilstrækkelig punktering.

Aksial desorientering af nålens krop:Når vinklen mellem nålelegemet og ultralydsstrålen er lille (såsom når punkteringsvejen er næsten parallel med lydstrålen), bliver ekkoet af nålelegemet ekstremt svagt eller endda forsvinder, hvilket får operatøren til at miste evnen til at bedømme retningen af ​​nålebanen fuldstændigt, og kan kun blindt justere. Dette fører til et stort antal unødvendige punkturforsøg, vævsskader og forlænget operationstid og udgør ekstremt høje risici, når man opererer i nærheden af ​​vigtige blodkar og nerver.

Kerneteknologisk innovation:

Vores innovation ligger i det differentierede akustiske strukturdesign til "nålespidsen" og "nålekroppen", der opnår informationsforbedring:

Den "akustiske linse" i spidsen og mikro-rygstrukturen:Vi har designet specielle overflademikrostrukturer i den skrå overflade af spidsen og området bagved, cirka 2-3 mm væk. En tilgang er at fremstille en række mikrometer-mikro-rygge med præcist beregnede dybder og mellemrum. Disse kamme fungerer som miniatureresonatorer, der øger spredningen og resonansen af ​​specifik frekvens ultralydsbølger, hvilket får spidsen til at danne et lysere "højdepunkt" på sonogrammet sammenlignet med nålens krop. En anden fremgangsmåde er at belægge nålespidsområdet med en gradientbelægning indeholdende mikrobobler af forskellige størrelser, hvilket skaber en "akustisk linse"-effekt, som koncentrerer den spredte lydenergi mere effektivt mod sonderetningen.

Det makroskopiske "spiralformet mønster" eller "diskontinuerlige bånd"-design af nålens krop:På overfladen af ​​nålekroppen skabte vi udover mikroboblebelægningen også lavvandede spiralmønstre eller periodiske diskontinuerlige cirkulære riller gennem laser eller præcis rullende behandling. Disse makroskopiske strukturer har to funktioner: For det første forstyrrer de den optiske glathed af nålens kropsoverflade, hvilket øger den diffuse refleksion af lydbølger, hvilket tillader nogle ekkoer at vende tilbage til sonden selv ved små vinkler, hvilket bevarer nålens grundlæggende synlighed. For det andet danner disse mønstre eller riller karakteristiske "kryds-ringe" eller "punkt-lignende" ekkoer på ultralydsbilledet, svarende til markeringerne på en lineal, hvilket hjælper operatøren med at bestemme dybden af ​​nålens indføring.

Belægningens "akustiske impedansgradient"-design:Vi kontrollerede tæthedsfordelingen af ​​mikro-bobler i belægningen for at danne en let akustisk impedansgradient nær den proksimale ende (tæt på operatøren) og den distale ende (tæt på nålespidsen) af nålekroppen. Tætheden i den proksimale ende er lidt lavere, hvilket resulterer i lidt svagere ekkoer; i den distale ende (især nålespidsområdet) er tætheden den højeste, hvilket resulterer i de stærkeste ekkoer. Denne gradientændring giver yderligere retningsbestemte signaler på ultralydsbilledet.

Virkningsmekanisme:

Kernen i dets funktion er at kode tre-dimensionel rumlig information i et to-dimensionelt billede ved at introducere karakteristiske akustiske scatterere. Forbedringen af ​​nålespidsen muliggør billeddannelse af "hvor endepunktet er". Den unikke mikrostruktur giver spredningssignalet dets karakteristiske træk, hvilket gør det nemt at skelne fra nålekroppen og det omgivende væv. Når nålespidsen kommer i kontakt med målet, ændres dets ekkokarakteristika (såsom en pludselig stigning i lysstyrke eller en ændring i form), hvilket giver operatøren visuel bekræftelse ud over den taktile fornemmelse. Den makroskopiske struktur af nålelegemet og belægningens gradient løser problemet med "hvor stien er". Strukturer som spiralmønstre sikrer, at nålekroppen ikke helt "forsvinder" i nogen vinkel. De kontinuerlige høje- "lyssøjler", der præsenteres på billedet, og de karakteristiske mønstre på dem viser tydeligt den lige bane af nålens krop. Kombineret med den rumlige position af ultralydssonden kan operatøren nøjagtigt rekonstruere den tre{10}}dimensionelle orientering, vinkel og dybde af nålelegemet i vævet i hjernen og opnå virkelig "perspektivagtige" operationer.

Effektivitetsbekræftelse:

I simuleringen af ​​vaskulær punkturtræning nåede kursisternes nøjagtighedsgrad i bedømmelsen af, om nålespidsen er gået ind i karhulen, op på 98 % ved brug af vores "dobbelt-zoneforstærkning" ekko-nål, mens den kun var 85 % ved brug af den almindelige ekko-nål. I den kliniske forskning af ultralyds-styret nerveblok kunne operatøren, der brugte vores nål, mere præcist observere "vandadskillelseseffekten", når nålespidsen nærmede sig nerveskeden, og realtidsovervågningen af ​​diffusionen af ​​lokalbedøvelse var tydeligere. Succesraten for blokken steg, og operationstiden blev i gennemsnit forkortet med 25 %. En multi-centerundersøgelse viste, at i punkteringsetableringsfasen af ​​perkutan nefrolitotomi (PCNL) ved brug af vores nål, var andelen af ​​vellykket punktering af målnyrebægeret på én gang væsentligt forbedret, og antallet af røntgenfluoroskopibrug og den samlede stråledosis under operationen blev signifikant reduceret.

Forsknings- og udviklingsstrategi og filosofi:

Vi mener: "Essensen af ​​ultralydsvejledning ligger i at forlænge 'øjnene' af sonden til spidsen af ​​nålen." Vores forsknings- og udviklingsstrategi er baseret på omvendt tænkning, ikke ud fra materialerne, men fra klinikernes visuelle kognitive behov. Vi dybt studerede den kognitive belastning og de rumlige bedømmelsesproblemer, som kirurgerne stod over for foran ultralydsskærmen, og løste dem derefter ved at bruge sproget i akustisk teknik. Det, vi designede, var ikke bare en nål, men et komplet "visuelt sprogsystem", der gjorde det muligt for nålen at "tale" på billedet og tydeligt informere kirurgerne om dens position, retning og status.

Fremtidsudsigter:

I fremtiden vil vi udforske teknologierne "aktiv billeddannelse" og "rumlig positionering", der er forbundet med ultralydsudstyr. Forskningsvejledningerne omfatter: udvikling af nålelegemer med integrerede mikro-ultralydstransducere for at opnå fremadgående ultralydsbilleddannelse fra nålespidsen; at studere matchningen af ​​coatingmaterialer med ultralydssystemets emissionssekvens for at opnå super-opløsningsbilleddannelse under specifik kodet excitation; at udforske kombinationen af ​​elektromagnetiske eller optiske positionssensorer for at overlejre de tre-dimensionelle rumlige koordinater af nålens krop på ultralydsbilledet eller den tre-dimensionelle rekonstruktionsmodel i realtid for at opnå ægte "augmented reality"-navigation. Vores mål er at gøre ekko-nålen til en intelligent og interaktiv navigationsknude i interventionel ultralydskirurgi, snarere end blot et objekt, der skal observeres.