基于超声多普勒成像和剪切波弹性成像的经皮穿刺显影增强技术研究

Percutaneous needle procedures for diagnosis and therapies have been widely used in many modern clinical practices. The introduction of ultrasound imaging improves the success rate of the percutaneous procedures. However, the visibility of the needle under conventional B-mode ultrasound can be quite poor, and the localization accuracy of the needle tip is not enough. Both have increased the insertion difficulty and the incidence of complications and also have reduced the efficiency. Based on the enhanced needle imaging technology under color Doppler guidance, this project intends to further improve the needle image quality and the visibility of surrounding tissue structure. The main issues include: (1) the optimized design and fabrication of Langevin ultrasound transducer; (2) research on the ultrasound vibration needle induced shear wave elastography; (3) study of Doppler algorithm of precision displacement detection based on eigenvetor filtering; (4) experimental study of localization accuracy in the application of needle biopsy. The operator is able to adjust the direction of insertion needle based on the clear and real-time needle image. In this way, the needle can reach the target with high accuracy. This greatly improves the efficiency of percutaneous needle therapy and reduces the possible complications, which means the higher safety as well as the efficiency.

经皮穿刺微创诊疗技术在临床上广泛使用，借助超声图像的引导，穿刺成功率得以提升。但目前穿刺针在B模式超声引导下可视性较差，导致针尖定位不准。这增加了穿刺难度和并发症的发病率，也降低了穿刺效率。项目以超声振动穿刺针在彩色多普勒下显影增强技术为研究基础，研究进一步提升穿刺针本身成像质量以及目标结构可视性的方法。主要内容包括：（1）穿刺针超声驱动换能器的优化与制备；（2）研究超声振动穿刺针激发的剪切波用于对周边组织的弹性成像；（3）研究基于特征滤波的穿刺成像精确检测算法；（4）实验评估基于成像优化的显影增强技术在穿刺活检应用中的准确性。通过获得更清晰准确的穿刺针超声图像以及目标病变组织的弹性图像，操作者可以实时调整进针方向，使得穿刺针精准到达靶组织，高效完成穿刺诊疗的同时减少可能引起的并发症，进一步提升穿刺的效率和安全性。

目前临床上经皮穿刺微创诊疗技术在B模式超声引导下可视性较差，导致针尖定位不准。这增加了穿刺难度和并发症的发病率，也降低了穿刺效率。项目提出基于超声多普勒成像和剪切波弹性成像的经皮穿刺显影增强技术，实现对振动穿刺针的多普勒显影增强以及对周边组织的弹性成像显影。操作者可以实时调整进针方向，使得穿刺针精准到达靶组织，高效完成穿刺诊疗的同时减少可能引起的并发症，进一步提升穿刺的效率和安全性。项目组将仿真设计、平台搭建、实验验证有机结合起来，首先通过对基于兰杰文振子的超声振动换能器进行了有限元仿真分析，通过分析以下三个方面，对超声振动穿刺针进行了优化。a)通过调整换能器各个部件的尺寸，研究振动模态的变化和位移节点的移动，挑选合适的模态及确认位移节点的位置落在法兰面；b).通过研究夹头对压电换能器谐振频率的影响，发现组装夹头会明显降低换能器的谐振频率。因此在最终的结构设计中，将夹头的设计改为定位螺栓。c).研究了标准穿刺针的夹持位置对振动模态的影响。有限元分析的结果表明，将穿刺针夹持在近端，可以产生更高的尖端振动幅度。之后确定结构参数并完成了部件的加工和选型，完成超声振动换能器的组装和测试；接着根据穿刺时所需的角度和深度设计穿刺平台，搭建用于精准控制穿刺针的进针方向和进针速度的机械平台；然后，利用多角度平面波成像技术实现捕捉振动穿刺针激励产生的剪切波，并利用方向滤波的算法对剪切波的图像进行优化；最后，通过对比实验评估基于多普勒超声引导穿刺的定位准确性，结果表明B模式和多普勒模式测量之间的一致性，定位误差在0.5mm左右。这些结果证明了项目方案的可行性，该研究进一步提升超声引导下穿刺的效率和安全性，在超声介入诊疗领域具有重要意义。