Anuncio de los Resultados:

Como pioneros en la aplicación de la tecnología de visualización por ultrasonido intervencionista, hemos expuesto sistemáticamente cómo el diseño acústico de la aguja de eco resuelve por completo el problema de la "confusión de espacio" en los procedimientos de punción guiada por ultrasonido-. A través de la simulación acústica tridimensional-y la optimización de la microestructura en la superficie del cuerpo de la aguja, no solo logramos una visualización de alto contraste-del cuerpo de la aguja, sino que también mejoramos de manera innovadora la diferenciación de la punta de la aguja y el eje largo del cuerpo de la aguja. Nuestra tecnología de "mejora de zona dual- hace que la punta de la aguja presente una señal única de "cola de cometa" o "resaltado", y el cuerpo de la aguja presente una señal de "columna de luz" brillante y continua. Esto permite al operador percibir de forma clara y real-la posición espacial tridimensional-, el ángulo de inserción y la profundidad del cuerpo de la aguja en la imagen de ultrasonido bidimensional-, elevando la punción de "ensayo y error basado en la intuición" a "navegación precisa visualizada".

Puntos débiles de los antecedentes de investigación y desarrollo:

El desafío principal de la punción guiada por ultrasonido-estriba en mapear la operación espacial tridimensional-en una imagen bidimensional-. La aguja tradicional muestra imágenes poco claras, lo que resulta en la pérdida de dos datos clave:

Posición poco clara de la punta de la aguja:La punta de la aguja es el punto clave de la operación, pero su eco a menudo se mezcla con el cuerpo de la aguja o se sumerge en el fondo del tejido, lo que hace imposible que el operador confirme si la punta de la aguja ha alcanzado con precisión el punto objetivo (como el centro de un quiste o al lado de un nervio), lo que fácilmente conduce a una punción excesiva o insuficiente.

Desorientación axial del cuerpo de la aguja:Cuando el ángulo entre el cuerpo de la aguja y el haz de ultrasonido es pequeño (como cuando la trayectoria de punción es casi paralela al haz de sonido), el eco del cuerpo de la aguja se vuelve extremadamente débil o incluso desaparece, lo que hace que el operador pierda la capacidad de juzgar completamente la dirección de la trayectoria de la aguja y solo pueda ajustarla a ciegas. Esto provoca un gran número de intentos de punción innecesarios, daños en los tejidos y tiempos de operación prolongados, y plantea riesgos extremadamente altos cuando se opera cerca de vasos sanguíneos y nervios importantes.

Innovación Tecnológica Central:

Nuestra innovación radica en el diseño de estructura acústica diferenciada para la “punta de la aguja” y el “cuerpo de la aguja”, logrando mejorar la información:

La "lente acústica" en la punta y la estructura de micro-cresta:Diseñamos microestructuras de superficie especiales en la superficie inclinada de la punta y el área detrás de ella, aproximadamente a 2-3 mm de distancia. Un método consiste en fabricar una serie de conjuntos de microcrestas de tamaño micrométrico-con profundidades y espaciamientos calculados con precisión. Estas crestas actúan como resonadores en miniatura, mejorando la dispersión y la resonancia de ondas ultrasónicas de frecuencia específica, lo que hace que la punta forme un "resaltado" más brillante en el sonograma en comparación con el cuerpo de la aguja. Otro método consiste en recubrir el área de la punta de la aguja con una capa de gradiente que contiene microburbujas de diferentes tamaños, creando un efecto de "lente acústica", que concentra la energía sonora dispersa de manera más efectiva hacia la dirección de la sonda.

El diseño macroscópico de "patrón helicoidal" o "banda discontinua" del cuerpo de la aguja:En la superficie del cuerpo de la aguja, además del recubrimiento de microburbujas, también creamos patrones en espiral poco profundos o ranuras circulares discontinuas periódicas mediante láser o procesamiento de laminado preciso. Estas estructuras macroscópicas tienen dos funciones: en primer lugar, alteran la suavidad óptica de la superficie del cuerpo de la aguja, aumentando la reflexión difusa de las ondas sonoras, permitiendo que algunos ecos regresen a la sonda incluso en ángulos pequeños, manteniendo la visibilidad básica del cuerpo de la aguja. En segundo lugar, estos patrones o surcos forman "anillos-cruzados" característicos o ecos "en forma de punto-" en la imagen de ultrasonido, similares a las marcas en una regla, lo que ayuda al operador a determinar la profundidad de la inserción de la aguja.

El diseño del revestimiento con "gradiente de impedancia acústica":Controlamos la distribución de densidad de las micro-burbujas en el recubrimiento para formar un ligero gradiente de impedancia acústica cerca del extremo proximal (cerca del operador) y el extremo distal (cerca de la punta de la aguja) del cuerpo de la aguja. La densidad en el extremo proximal es ligeramente menor, lo que da como resultado ecos ligeramente más débiles; en el extremo distal (especialmente el área de la punta de la aguja), la densidad es mayor, lo que produce los ecos más fuertes. Este cambio de gradiente proporciona señales direccionales adicionales en la imagen ecográfica.

Mecanismo de acción:

El mecanismo principal de su funcionamiento es codificar-información espacial tridimensional en una imagen bidimensional-introduciendo dispersores acústicos característicos. La mejora de la punta de la aguja permite obtener imágenes de "dónde está el punto final". La microestructura única le da a la señal de dispersión sus rasgos característicos, lo que la hace fácil de distinguir del cuerpo de la aguja y los tejidos circundantes. Cuando la punta de la aguja entra en contacto con el objetivo, sus características de eco cambian (como un aumento repentino de brillo o un cambio de forma), proporcionando al operador una confirmación visual más allá de la sensación táctil. La estructura macroscópica del cuerpo de la aguja y el gradiente del recubrimiento resuelven el problema de "dónde está el camino". Estructuras como patrones en espiral garantizan que el cuerpo de la aguja no "desaparezca" completamente en ningún ángulo. Las "columnas de luz" continuas de alto eco-presentadas en la imagen y los patrones característicos en ellas delinean claramente la trayectoria recta del cuerpo de la aguja. Combinado con la posición espacial de la sonda de ultrasonido, el operador puede reconstruir con precisión la orientación tridimensional, el ángulo y la profundidad del cuerpo de la aguja en el tejido del cerebro, logrando operaciones verdaderamente "similares a las de una perspectiva".

Verificación de eficacia:

En la simulación del entrenamiento de punción vascular, la tasa de precisión de los alumnos al juzgar si la punta de la aguja ha entrado en la cavidad vascular alcanzó el 98 % cuando utilizaron nuestra aguja ecográfica de "doble-mejora de zona", mientras que fue solo del 85 % cuando utilizaron la aguja ecográfica ordinaria. En la investigación clínica del bloqueo nervioso guiado por ultrasonido-, el operador que utilizaba nuestra aguja pudo observar con mayor precisión el efecto de "separación de agua" cuando la punta de la aguja se acercaba a la vaina del nervio, y el monitoreo en tiempo real-de la difusión del anestésico local fue más claro. La tasa de éxito del bloque aumentó y el tiempo de operación se redujo en un promedio del 25%. Un estudio multicéntrico mostró que en la fase de establecimiento de la punción de la nefrolitotomía percutánea (NLPC), utilizando nuestra aguja, la proporción de punciones exitosas del cáliz renal objetivo en un momento mejoró significativamente y el número de usos de fluoroscopia de rayos X y la dosis total de radiación durante la operación se redujeron significativamente.

Estrategia y Filosofía de Investigación y Desarrollo:

Creemos: "La esencia de la guía ecográfica radica en extender los 'ojos' de la sonda hasta la punta de la aguja". Nuestra estrategia de investigación y desarrollo se basa en el pensamiento inverso, no partiendo de los materiales, sino de las necesidades cognitivas visuales de los médicos. Estudiamos en profundidad los problemas de carga cognitiva y juicio espacial que enfrentaban los cirujanos frente a la pantalla de ultrasonido y luego los resolvíamos utilizando el lenguaje de la ingeniería acústica. Lo que diseñamos no fue sólo una aguja, sino un "sistema de lenguaje visual" completo, que permitía a la aguja "hablar" sobre la imagen, informando claramente a los cirujanos de su posición, dirección y estado.

Perspectivas futuras:

En el futuro, exploraremos las tecnologías de "imágenes activas" y "posicionamiento espacial" relacionadas con los equipos de ultrasonido. Las direcciones de la investigación incluyen: desarrollar cuerpos de agujas con transductores micro-ultrasónicos integrados para lograr imágenes de ultrasonido directas desde la punta de la aguja; estudiar la coincidencia de los materiales de recubrimiento con la secuencia de emisión del sistema ultrasónico para lograr imágenes de super-resolución bajo excitación codificada específica; explorar la combinación de sensores de posicionamiento electromagnéticos u ópticos para superponer las coordenadas espaciales tridimensionales-del cuerpo de la aguja en la imagen de ultrasonido o el modelo de reconstrucción tridimensional-en tiempo real, para lograr una verdadera navegación de "realidad aumentada". Nuestro objetivo es hacer de la aguja de eco un nodo de navegación inteligente e interactivo en la cirugía de ultrasonido intervencionista, en lugar de simplemente un objeto a observar.