Чому звичайні сталеві голки зникають під ультразвуком, а ехогенні голки залишаються яскравими

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

Щоб зрозуміти якехогеннийголки працюють, спочатку потрібно зрозуміти основні фізичні механізми медичного ультразвукового зображення. Ультразвукові зонди випромінюють високо{1}}звукові хвилі 1,5–15 МГц в тіло людини. Через різницю в акустичному опорі (Z=ρ × c, щільність × швидкість звуку) між різними тканинами виникають відбиття поверхні поверхні. Ехосигнали, отримані зондом, обробляються в зображення у градаціях сірого-сильні відбиття виглядають білими (гіперехогенними), тоді як слабкі/відсутні відображення виглядають чорними (безехогенні або гіпоехогенні).

Стінки звичайних медичних голок з нержавіючої сталі після електрополірування надзвичайно гладкі, з поверхнями, наближеними до ідеальних дзеркал. Коли ультразвук потрапляє під не-перпендикулярними кутами (у випадку більшості клінічних проколів у-площині), на гладкій металевій поверхні виникає дзеркальне відображення. Відбита хвиля відхиляється від приймального сектора зонда відповідно до закону рівних кутів падіння та відбитого, майже не повертаючи відлуння до перетворювача. Як наслідок, тіло голки темніє або навіть повністю зникає на екрані. Крім того, хоча існує різниця в акустичному опорі між сталлю та м’якою тканиною, гладка безперервна циліндрична поверхня виробляє надзвичайно слабкі сигнали розсіювання, що робить середній -сегмент вала особливо важко розпізнати.

Ехогенні голки долають це обмеження шляхом активного введення рясних ділянок зворотного розсіювання:

• Мікро-модифікація топографії (піскоструминне травлення/мікро-ямки/спіральні мікро-канавки/кутові відбивачі):​ Лазерне гравіювання або хімічне травлення створює шорсткі текстури в мікрон- масштабі або регулярні ямки в межах приблизно 5–30 мм від кінчика голки або вздовж повного стрижня, порушуючи суцільність поверхні. Ці мікроструктури розсіюють падаючий ультразвук назад до зонда з різних напрямків; спеціально розроблені «наріжні рефлектори» забезпечують принаймні часткове повернення променя в широкому кутовому діапазоні.
• Інтерфейси невідповідності акустичного імпедансу (мікропухирчасті покриття-полімерного газу):​ Герметичні мікропухирці (повітря/N₂/інертний газ) діаметром 1–5 мкм рівномірно розподілені всередині медичної поліуретанової/силіконової полімерної матриці. Бульбашки, полімер і навколишня тканина утворюють значні різниці акустичного опору, викликаючи інтенсивне розсіювання Релея. Мікробульбашкові покриття можуть посилити інтенсивність відлуння тіла голки на 15–25 дБ, зберігаючи яскраві білі смуги навіть на складному фоні.
• Градієнтний і зональний дизайн:​ Високо{0}}продукти сегментарно регулюють концентрацію мікропухирців або щільність травлення вздовж осі голки-, посилюючи відображення на дистальному (кінчику) сегменті для точної локалізації, одночасно помірно зменшуючи проксимальне відображення, щоб запобігти маскуванню надмірних артефактів глибших цілей.

Важливі застереження: якщо полімерні мікропухирчасті покриття занурені на тривалий час-або піддані повторним проколам, що сприяють проникненню рідини, мікробульбашки можуть зміщуватися, що призведе до ослаблення відлуння. Типи з фізичним гравіюванням не піддаються впливу занурення, але спричиняють вищу складність виготовлення. Незалежно від механізму, суть полягає в штучному створенні великої кількості випадково орієнтованих інтерфейсів акустичного відбиття/розсіювання для перетворення «віддзеркалення» в «повернення дифузного відбиття», зберігаючи постійне «світіння» голки в ультразвуковому секторі.