Оголошення результатів:

Будучи піонерами у застосуванні інтервенційної ультразвукової технології візуалізації, ми систематично пояснювали, як акустичний дизайн ехо-голки повністю вирішує проблему «просторної плутанини» під час процедур пункції під-ультразвуком. Завдяки три{2}}вимірному акустичному моделюванню та оптимізації мікроструктури на поверхні тіла голки ми не лише досягли високого{3}}контрастного відображення тіла голки, але й інноваційно покращили диференціацію кінчика голки та довгої осі тіла голки. Наша технологія «дво-покращення зони» робить кінчик голки унікальним «хвостом комети» або «підсвічуванням», а тіло голки представляє суцільний яскравий знак «світловий стовп». Це дає змогу оператору чітко й у реальному-часі сприймати три-просторове положення, кут введення та глибину тіла голки на дво-вимірному ультразвуковому зображенні, підносячи пункцію від «проб і помилок на основі інтуїції» до «візуалізованої точної навігації».

Дослідження та розробки Основні больові точки:

Основна проблема пункції під ультразвуковим-контролем полягає у відображенні три-вимірної просторової операції на дво-вимірному зображенні. Традиційна голка показує нечіткі зображення, що призводить до втрати двох ключових частин інформації:

Нечітке розташування кінчика голки:Кінчик голки є ключовою точкою операції, але його відлуння часто змішується з тілом голки або занурюється у фон тканини, що унеможливлює для оператора переконатися, що кінчик голки точно досяг цільової точки (наприклад, центру кісти або біля нерва), що легко призводить до надмірного або недостатнього проколу.

Осьова дезорієнтація тіла голки:Коли кут між тілом голки та ультразвуковим променем невеликий (наприклад, коли шлях проколу майже паралельний звуковому променю), відлуння від тіла голки стає надзвичайно слабким або навіть зникає, внаслідок чого оператор втрачає здатність повністю визначити напрямок шляху голки та може лише наосліп налаштувати. Це призводить до великої кількості непотрібних спроб проколів, пошкодження тканин і тривалого часу операції, а також створює надзвичайно високий ризик при операціях поблизу важливих кровоносних судин і нервів.

Основні технологічні інновації:

Наша інновація полягає в диференційованому дизайні акустичної структури для «кінчика голки» та «корпуса голки», що забезпечує покращення інформації:

«Акустична лінза» на кінчику та структура мікро-гребеня:Ми розробили спеціальні поверхневі мікроструктури на похилій поверхні наконечника та області за ним, приблизно на відстані 2-3 мм. Один із підходів полягає у виготовленні серії масивів мікро-розмірів мікро-гребенів із точно розрахованими глибинами та відстанями. Ці виступи діють як мініатюрні резонатори, посилюючи розсіювання та резонанс ультразвукових хвиль певної частоти, змушуючи кінчик утворювати яскравішу «родзинку» на сонограмі порівняно з тілом голки. Інший підхід полягає в нанесенні на область кінчика голки градієнтного покриття, що містить мікробульбашки різного розміру, створюючи ефект «акустичної лінзи», яка більш ефективно концентрує розсіяну звукову енергію в напрямку зонда.

Макроскопічний «спіральний візерунок» або «розривна смуга» корпусу голки:На поверхні тіла голки, окрім покриття з мікропухирцями, ми також створили неглибокі спіральні візерунки або періодичні переривчасті круглі канавки за допомогою лазерної або точної обробки прокаткою. Ці макроскопічні структури виконують дві функції: по-перше, вони порушують оптичну гладкість поверхні тіла голки, збільшуючи дифузне відображення звукових хвиль, дозволяючи деяким відлунням повертатися до зонда навіть під невеликими кутами, зберігаючи основну видимість тіла голки. По-друге, ці візерунки або борозенки утворюють характерні «перехресні-кільця» або «точкові-відлуння на ультразвуковому зображенні, схожі на позначки на лінійці, що допомагає оператору визначити глибину введення голки.

Конструкція покриття «градієнт акустичного опору»:Ми контролювали розподіл щільності мікро-бульбашок у покритті, щоб утворити невеликий градієнт акустичного опору біля проксимального кінця (поруч з оператором) і дистального кінця (поблизу кінчика голки) тіла голки. Щільність на проксимальному кінці трохи нижча, що призводить до дещо слабшого відлуння; на дистальному кінці (особливо в області кінчика голки) щільність найвища, що призводить до найсильнішого ехосигналу. Ця зміна градієнта надає додаткові орієнтири на ультразвуковому зображенні.

Механізм дії:

Основний механізм його роботи полягає в кодуванні три{0}}вимірної просторової інформації у дво-вимірному зображенні шляхом введення характерних акустичних розсіювачів. Покращення кінчика голки дає змогу відобразити «де знаходиться кінцева точка». Унікальна мікроструктура надає сигналу розсіювання його характерні особливості, що дозволяє легко відрізнити його від тіла голки та навколишніх тканин. Коли кінчик голки торкається мішені, її характеристики відлуння змінюються (наприклад, раптове збільшення яскравості або зміна форми), надаючи оператору візуальне підтвердження, окрім тактильних відчуттів. Макроскопічна структура тіла голки та градієнт покриття вирішують проблему «де шлях». Такі структури, як спіральні візерунки, гарантують, що тіло голки не «зникне» повністю під будь-яким кутом. Безперервні «світлові стовпчики» високого-відлуння, представлені на зображенні, і характерні візерунки на них чітко окреслюють пряму траєкторію тіла голки. У поєднанні з просторовим положенням ультразвукового датчика оператор може точно реконструювати тривимірну-орієнтацію, кут і глибину тіла голки в тканині мозку, досягаючи справді «перспективних-операцій».

Перевірка ефективності:

Під час симуляції навчання судинній пункції рівень точності слухачів у визначенні того, чи кінчик голки увійшов у судинну порожнину, сягав 98 % при використанні нашої ехо-голки з «посиленням подвійної- зони», тоді як при використанні звичайної ехо-голки він становив лише 85%. У клінічному дослідженні блокади нерва-під ультразвуковим контролем оператор, який користувався нашою голкою, міг точніше спостерігати ефект «відділення води», коли кінчик голки наближався до оболонки нерва, і-моніторинг дифузії місцевого анестетика в реальному часі був чіткішим. Відсоток успіху блоку збільшився, а час операції скоротився в середньому на 25%. Багато{9}}дослідження показало, що на етапі встановлення пункції черезшкірної нефролітотомії (PCNL) за допомогою нашої голки відсоток успішних одноразових пункцій цільової ниркової чашечки значно покращився, а кількість рентгенівських -рентгеноскопічних досліджень і загальна доза опромінення під час операції значно зменшилися.

Стратегія досліджень і розвитку та філософія:

Ми вважаємо: «Суть ультразвукового наведення полягає в тому, щоб «вічка» зонда протягнути до кінчика голки». Наша стратегія досліджень і розвитку базується на зворотному мисленні, починаючи не з матеріалів, а з візуальних когнітивних потреб клініцистів. Ми глибоко вивчили проблеми когнітивного навантаження та просторового судження, з якими стикалися хірурги перед екраном УЗД, а потім вирішували їх мовою акустичної інженерії. Ми розробили не просто голку, а повну «систему візуальної мови», яка дозволяє голці «говорити» на зображенні, чітко повідомляючи хірургам про її положення, напрямок і статус.

Перспективи на майбутнє:

У майбутньому ми досліджуватимемо технології «активного зображення» та «просторового позиціонування», які пов’язані з ультразвуковим обладнанням. Дослідницькі напрями включають: розробку корпусів голок із вбудованими мікро-ультразвуковими перетворювачами для отримання прямого ультразвукового зображення від кінчика голки; вивчення узгодження матеріалів покриття з послідовністю випромінювання ультразвукової системи для досягнення зображення з над-роздільною здатністю за специфічного кодованого збудження; дослідження комбінації електромагнітних або оптичних датчиків позиціонування для накладання три{3}}вимірних просторових координат тіла голки на ультразвукове зображення або три{4}}вимірну модель реконструкції в реальному часі, щоб досягти справжньої навігації «доповненої реальності». Наша мета — зробити ехо-голку інтелектуальним та інтерактивним вузлом навігації в інтервенційній ультразвуковій хірургії, а не просто об’єктом для спостереження.