Kunngjøring av resultater:

Som pionerer i bruken av intervensjonell ultralydvisualiseringsteknologi, har vi systematisk forklart hvordan den akustiske utformingen av ekko-nålen fullstendig løser problemet med "plassforvirring" i ultralydveiledet punkteringsprosedyrer-. Gjennom tre-dimensjonal akustisk simulering og optimalisering av mikrostrukturen på nålens kroppsoverflate, oppnådde vi ikke bare høy-kontrastvisning av nålekroppen, men forbedret også innovativt differensieringen av nålespissen og den lange aksen til nålkroppen. Vår "dual-zone enhancement"-teknologi gjør at nålespissen presenterer et unikt "komethale" eller "highlight"-tegn, og nålekroppen presenterer et kontinuerlig lyst "lyskolonne"-tegn. Dette gjør det mulig for operatøren å tydelig og sann-tid oppfatte den tre-romlige posisjonen, innføringsvinkelen og dybden til nålkroppen i det to-dimensjonale ultralydbildet, og løfter punkteringen fra "prøving og feiling basert på intuisjon" til "visualisert presis navigasjon".

Forskning og utvikling Bakgrunnssmertepunkter:

Kjerneutfordringen med -ultralydveiledet punktering ligger i å kartlegge den tre-romlige operasjonen på et to-bilde. Den tradisjonelle nålen viser uklar bildebehandling, noe som resulterer i tap av to viktige opplysninger:

Uklar nålespissplassering:Nålespissen er nøkkelpunktet for operasjonen, men ekkoet blander seg ofte med nålekroppen eller er nedsenket i vevsbakgrunnen, noe som gjør det umulig for operatøren å bekrefte om nålespissen nøyaktig har nådd målpunktet (som midten av en cyste eller ved siden av en nerve), noe som lett fører til overdreven eller utilstrekkelig punktering.

Aksiell desorientering av nålkroppen:Når vinkelen mellom nålekroppen og ultralydstrålen er liten (for eksempel når punkteringsbanen er nesten parallell med lydstrålen), blir ekkoet til nålekroppen ekstremt svak eller til og med forsvinner, noe som fører til at operatøren mister evnen til å bedømme retningen til nålebanen fullstendig, og kan bare blindt justere. Dette fører til et stort antall unødvendige punkteringsforsøk, vevsskade og forlenget operasjonstid, og utgjør ekstremt høy risiko ved operasjon i nærheten av viktige blodårer og nerver.

Kjerneteknologisk innovasjon:

Vår innovasjon ligger i den differensierte akustiske strukturdesignen for "nålspissen" og "nålekroppen", for å oppnå informasjonsforbedring:

Den "akustiske linsen" på spissen og mikro-ryggstrukturen:Vi designet spesielle overflatemikrostrukturer i den skrånende overflaten av spissen og området bak den, omtrent 2-3 mm unna. En tilnærming er å lage en serie mikrometer-mikro-rygger med nøyaktig beregnede dybder og avstander. Disse ryggene fungerer som miniatyrresonatorer, og forsterker spredningen og resonansen til spesifikke frekvens ultralydbølger, noe som får spissen til å danne et lysere "høydepunkt" på sonogrammet sammenlignet med nålens kropp. En annen tilnærming er å belegge nålespissen med et gradientbelegg som inneholder mikrobobler av forskjellige størrelser, og skaper en "akustisk linse"-effekt, som konsentrerer den spredte lydenergien mer effektivt mot sonderetningen.

Det makroskopiske "spiralformede mønsteret" eller "diskontinuerlige bånd"-designet til nålkroppen:På overflaten av nålkroppen, i tillegg til mikroboblebelegget, skapte vi også grunne spiralmønstre eller periodiske diskontinuerlige sirkulære riller gjennom laser eller presis rullende prosessering. Disse makroskopiske strukturene har to funksjoner: For det første forstyrrer de den optiske glattheten til nålens kroppsoverflate, øker den diffuse refleksjonen av lydbølger, slik at noen ekkoer kan gå tilbake til sonden selv i små vinkler, og opprettholder den grunnleggende synligheten til nålkroppen. For det andre danner disse mønstrene eller sporene karakteristiske «kryss-ringer» eller «punkt-lignende» ekkoer på ultralydbildet, likt markeringene på en linjal, som hjelper operatøren med å bestemme dybden av nåleinnføringen.

Den "akustiske impedansgradienten" utformingen av belegget:Vi kontrollerte tetthetsfordelingen av mikro-bobler i belegget for å danne en liten akustisk impedansgradient nær den proksimale enden (nær operatøren) og den distale enden (nær nålespissen) av nålekroppen. Tettheten i den proksimale enden er litt lavere, noe som resulterer i litt svakere ekko; ved den distale enden (spesielt nålespissen) er tettheten høyest, noe som resulterer i de sterkeste ekkoene. Denne gradientendringen gir ytterligere retningssignaler på ultralydbildet.

Virkningsmekanisme:

Kjernemekanismen i operasjonen er å kode tre-dimensjonal romlig informasjon i et to-dimensjonalt bilde ved å introdusere karakteristiske akustiske spredere. Forbedringen av nålespissen muliggjør avbildning av "hvor endepunktet er". Den unike mikrostrukturen gir spredningssignalet dets karakteristiske trekk, noe som gjør det enkelt å skille fra nålekroppen og vevet rundt. Når nålespissen kommer i kontakt med målet, endres ekkokarakteristikkene (som en plutselig økning i lysstyrke eller en endring i form), og gir operatøren visuell bekreftelse utover den taktile følelsen. Den makroskopiske strukturen til nålkroppen og gradienten til belegget løser problemet med "hvor banen er". Strukturer som spiralmønstre sikrer at nålekroppen ikke "forsvinner" helt i noen vinkel. De kontinuerlige høye- "lyssøylene" som presenteres på bildet og de karakteristiske mønstrene på dem skisserer tydelig den rette banen til nålens kropp. Kombinert med den romlige posisjonen til ultralydsonden, kan operatøren nøyaktig rekonstruere den tredimensjonale orienteringen, vinkelen og dybden til nålekroppen i vevet i hjernen, og oppnå virkelig "perspektivlignende" operasjoner.

Effektverifisering:

I simulering av vaskulær punkteringstrening nådde nøyaktighetsraten for deltakere i å bedømme om nålespissen har kommet inn i det vaskulære hulrommet 98 % ved bruk av vår «dobbel-soneforsterkning»-ekko-nål, mens den bare var 85 % ved bruk av den vanlige ekko-nålen. I den kliniske forskningen av ultralydstyrt-nerveblokkering kunne operatøren som brukte nålen vår mer nøyaktig observere "vannseparasjonseffekten" når nålespissen nærmet seg nerveskjeden, og sanntidsovervåkingen av diffusjonen av lokalbedøvelse var tydeligere. Suksessraten for blokken økte, og operasjonstiden ble forkortet med gjennomsnittlig 25 %. En multi-senterstudie viste at i punkteringsetableringsfasen av perkutan nefrolitotomi (PCNL), ved bruk av nålen vår, ble andelen vellykket punksjon av målnyrebegeret på en gang betydelig forbedret, og antallet røntgenfluoroskopibruk og den totale stråledosen ble betydelig redusert under operasjonen.

Forsknings- og utviklingsstrategi og filosofi:

Vi mener: "Kjernen med ultralydveiledning ligger i å forlenge 'øynene' til sonden til nålespissen." Vår forsknings- og utviklingsstrategi er basert på omvendt tenkning, ikke med utgangspunkt i materialene, men fra de visuelle kognitive behovene til klinikerne. Vi studerte dypt den kognitive belastningen og romlige vurderingsproblemene som kirurgene møtte foran ultralydskjermen, og løste dem deretter ved å bruke akustisk ingeniørspråk. Det vi designet var ikke bare en nål, men et komplett "visuelt språksystem", slik at nålen kunne "snakke" på bildet, og tydelig informere kirurgene om dens posisjon, retning og status.

Fremtidsutsikter:

I fremtiden vil vi utforske teknologiene "aktiv bildebehandling" og "romlig posisjonering" som er knyttet til ultralydutstyr. Forskningsinstruksjonene inkluderer: utvikling av nålekropper med integrerte mikro-ultralydtransdusere for å oppnå ultralydbilde fremover fra nålespissen; studerer matching av beleggmaterialer med ultralydsystemets emisjonssekvens for å oppnå super-oppløsningsbilder under spesifikk kodet eksitasjon; å utforske kombinasjonen av elektromagnetiske eller optiske posisjonssensorer for å legge de tre-dimensjonale romlige koordinatene til nålkroppen over på ultralydbildet eller den tre-dimensjonale rekonstruksjonsmodellen i sanntid, for å oppnå ekte «augmented reality»-navigasjon. Målet vårt er å gjøre ekko-nålen til en intelligent og interaktiv navigasjonsnode i intervensjonell ultralydkirurgi, i stedet for bare et objekt som skal observeres.