Objava rezultata:

Kao pioniri u primjeni tehnologije intervencijske ultrazvučne vizualizacije, sustavno smo izložili kako akustični dizajn eho igle u potpunosti rješava problem "zbrke u prostoru" u ultrazvučno{0}}vođenim postupcima punkcije. Kroz tro-dimenzionalnu akustičnu simulaciju i optimizaciju mikrostrukture na površini tijela igle, ne samo da smo postigli visok{3}}kontrastni prikaz tijela igle, već smo i inovativno poboljšali razlikovanje vrha igle i duge osi tijela igle. Naša tehnologija "dvo-zonskog poboljšanja" čini da vrh igle predstavlja jedinstveni znak "kometnog repa" ili "istaknutog" znaka, a tijelo igle predstavlja kontinuirani svijetli znak "svjetlosnog stupca". To operateru omogućuje jasnu-vremensku percepciju trodimenzionalnog-prostornog položaja, kuta umetanja i dubine tijela igle u dvo-dimenzionalnoj ultrazvučnoj slici, podižući ubod od "pokušaja i pogrešaka na temelju intuicije" do "vizualizirane precizne navigacije".

Bolne točke u pozadini istraživanja i razvoja:

Glavni izazov ultrazvučno{0}}vođene punkcije leži u preslikavanju tro-prostorne operacije na dvo-dimenzionalnu sliku. Tradicionalna igla pokazuje nejasnu sliku, što dovodi do gubitka dvije ključne informacije:

Nejasan položaj vrha igle:Vrh igle je ključna točka operacije, ali njegov se odjek često stapa s tijelom igle ili je uronjen u pozadinu tkiva, što onemogućuje operateru da potvrdi je li vrh igle točno dosegao ciljnu točku (kao što je središte ciste ili pored živca), što lako dovodi do pretjeranog ili nedovoljnog uboda.

Aksijalna dezorijentacija tijela igle:Kada je kut između tijela igle i ultrazvučne zrake malen (kao kada je put uboda gotovo paralelan sa zvučnom zrakom), odjek tijela igle postaje izuzetno slab ili čak nestaje, uzrokujući da operater izgubi sposobnost potpunog prosuđivanja smjera putanje igle i može se samo naslijepo prilagoditi. To dovodi do velikog broja nepotrebnih pokušaja uboda, oštećenja tkiva i produljenog vremena operacije, te predstavlja izuzetno visoke rizike kod operacija u blizini važnih krvnih žila i živaca.

Temeljna tehnološka inovacija:

Naša inovacija leži u diferenciranom dizajnu akustične strukture za "vrh igle" i "tijelo igle", čime se postiže poboljšanje informacija:

"Akustična leća" na vrhu i struktura mikro{0}}grebena:Dizajnirali smo posebne površinske mikrostrukture na nagnutoj površini vrha i području iza njega, otprilike 2-3 mm. Jedan pristup je izrada niza nizova mikro-veličine grebena s precizno izračunatim dubinama i razmacima. Ovi grebeni djeluju kao minijaturni rezonatori, pojačavajući raspršenje i rezonanciju ultrazvučnih valova specifične frekvencije, uzrokujući da vrh formira svjetliji "istaknuti dio" na sonogramu u usporedbi s tijelom igle. Drugi pristup je premazivanje područja vrha igle gradijentnim premazom koji sadrži mikro-mjehuriće različitih veličina, stvarajući efekt "akustične leće", koji učinkovitije koncentrira raspršenu zvučnu energiju prema smjeru sonde.

Makroskopski dizajn "spiralnog uzorka" ili "diskontinuirane trake" tijela igle:Na površini tijela igle, osim premaza s mikromjehurićima, također smo stvorili plitke spiralne uzorke ili periodične diskontinuirane kružne utore pomoću lasera ili precizne obrade valjanjem. Ove makroskopske strukture imaju dvije funkcije: Prvo, one narušavaju optičku glatkoću površine tijela igle, povećavajući difuznu refleksiju zvučnih valova, dopuštajući nekim odjecima da se vrate u sondu čak i pod malim kutovima, održavajući osnovnu vidljivost tijela igle. Drugo, ti obrasci ili brazde tvore karakteristične "križ-prstenove" ili "točkaste-odjeke" na ultrazvučnoj slici, slične oznakama na ravnalu, što pomaže operateru da odredi dubinu umetanja igle.

Dizajn "gradijenta akustične impedancije" premaza:Kontrolirali smo distribuciju gustoće mikro-mjehurića u premazu kako bismo formirali blagi gradijent akustične impedancije blizu proksimalnog kraja (blizu operatera) i distalnog kraja (blizu vrha igle) tijela igle. Gustoća na proksimalnom kraju je nešto niža, što rezultira nešto slabijim odjecima; na distalnom kraju (osobito na području vrha igle), gustoća je najveća, što rezultira najjačim odjecima. Ova promjena gradijenta daje dodatne smjernice na ultrazvučnoj slici.

Mehanizam djelovanja:

Osnovni mehanizam njegovog rada je kodiranje tro-dimenzionalnih prostornih informacija u dvo-dimenzionalnu sliku uvođenjem karakterističnih akustičnih raspršivača. Poboljšanje vrha igle omogućuje prikaz "gdje je krajnja točka". Jedinstvena mikrostruktura daje signalu raspršenja njegove karakteristične značajke, što ga čini lakim za razlikovanje od tijela igle i okolnih tkiva. Kada vrh igle dođe u kontakt s metom, njegove karakteristike odjeka se mijenjaju (kao što je naglo povećanje svjetline ili promjena oblika), pružajući operateru vizualnu potvrdu izvan taktilnog osjeta. Makroskopska struktura tijela igle i gradijent premaza rješavaju problem "gdje je staza". Strukture poput spiralnih uzoraka osiguravaju da tijelo igle ne "nestane" u potpunosti ni pod kojim kutom. Kontinuirani visoki-echo "svjetlosni stupovi" prikazani na slici i karakteristični uzorci na njima jasno ocrtavaju ravnu putanju tijela igle. U kombinaciji s prostornim položajem ultrazvučne sonde, operater može precizno rekonstruirati tro{10}}dimenzionalnu orijentaciju, kut i dubinu tijela igle u tkivu u mozgu, postižući doista "perspektivne-operacije".

Provjera učinkovitosti:

U simulaciji treninga vaskularne punkcije, stopa točnosti polaznika u procjeni je li vrh igle ušao u vaskularnu šupljinu dosegla je 98% pri korištenju naše eho igle za "poboljšanje dvostruke-zone", dok je bila samo 85% pri korištenju obične eho igle. U kliničkom istraživanju ultrazvukom-vođene blokade živaca, operater koji koristi našu iglu mogao je točnije promatrati učinak "odvajanja vode" kada se vrh igle približio ovojnici živca, a-praćenje difuzije lokalnog anestetika u stvarnom-vremenu bilo je jasnije. Uspješnost bloka je povećana, a vrijeme operacije skraćeno u prosjeku za 25%. Multi{9}}istraživanje pokazalo je da je u fazi uspostavljanja punkcije perkutane nefrolitotomije (PCNL), korištenjem naše igle, udio uspješne punkcije ciljane bubrežne čašice u jednom trenutku značajno poboljšan, a broj rendgenskih fluoroskopija i ukupna doza zračenja tijekom operacije značajno su smanjeni.

Strategija i filozofija istraživanja i razvoja:

Vjerujemo: "Bit ultrazvučnog navođenja leži u produženju 'očiju' sonde do vrha igle." Naša strategija istraživanja i razvoja temelji se na obrnutom razmišljanju, ne polazeći od materijala, već od vizualnih kognitivnih potreba kliničara. Duboko smo proučili probleme kognitivnog opterećenja i prostorne prosudbe s kojima su se kirurzi suočavali ispred ultrazvučnog ekrana, a zatim ih riješili jezikom akustičkog inženjerstva. Ono što smo dizajnirali nije bila samo igla, već potpuni "sustav vizualnog jezika", koji omogućava igli da "govori" na slici, jasno informirajući kirurge o svom položaju, smjeru i statusu.

Buduća perspektiva:

U budućnosti ćemo istražiti tehnologije "aktivnog snimanja" i "prostornog pozicioniranja" koje su povezane s ultrazvučnom opremom. Smjerovi istraživanja uključuju: razvoj tijela igle s integriranim mikro-ultrazvučnim sondama za postizanje ultrazvučne slike prema naprijed s vrha igle; proučavanje usklađivanja materijala za oblaganje s sekvencom emisije ultrazvučnog sustava kako bi se postigla slika super-razlučivosti pod specifičnom kodiranom pobudom; istraživanje kombinacije elektromagnetskih ili optičkih senzora za pozicioniranje za superponiranje tro-dimenzionalnih prostornih koordinata tijela igle na ultrazvučnu sliku ili tro-model rekonstrukcije u stvarnom vremenu, kako bi se postigla prava navigacija "proširene stvarnosti". Naš cilj je učiniti eho iglu inteligentnim i interaktivnim navigacijskim čvorom u interventnoj ultrazvučnoj kirurgiji, a ne samo objektom koji se promatra.