学术研究报告：基于双分段阵列的针头对齐超声图像引导穿刺技术

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Worcester Polytechnic Institute的Haichong K. Zhang（张海聪），合作者包括Ashiqur Rahaman、Yichuan Tang（唐一川，IEEE学生会员）、Shang Gao（高尚，IEEE学生会员）等，合作机构包括马萨诸塞大学医学院泌尿外科。研究成果发表于2023年9月的IEEE Transactions on Biomedical Engineering（第70卷第9期）。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于超声图像引导介入治疗领域，聚焦于经皮肾镜取石术（Percutaneous Nephrolithotomy, PCNL）中的穿刺引导技术。传统PCNL依赖X射线透视（Fluoroscopy）或手动超声引导，存在辐射暴露、针头偏斜（Needle Deflection）及操作依赖经验等问题。超声引导虽无辐射，但需手动调整探头与针头对齐（Image-Needle Alignment），易因针头偏离导致重复穿刺，增加手术时间和出血风险。

技术瓶颈与目标
现有“中心开孔超声阵列”（Through-Hole Array）仅适用于浅表或血管内应用（深度<20 mm），而PCNL需80–100 mm的深部组织穿刺。本研究提出一种双分段阵列（Dual-Segment Array），通过中心开孔设计实现针头与图像的自动对齐，旨在解决深部穿刺中针头可视化不足和偏斜问题。

研究流程与方法

1. 原型设计与成像原理
- 阵列结构：双分段阵列由两个32阵元的线性阵列组成，中心预留10 mm开孔，总阵元数64，阵元间距0.32 mm，工作频率2.5 MHz（图2）。
- 波束控制（Beam Steering）：通过电子延迟控制声束偏转（±80°），补偿中心开孔区域的成像盲区。声速设定为1540 m/s，聚焦深度为轴向深度的4倍（110.88 mm）。
- 图像合成算法：两分段采集的数据通过平移旋转合并（公式1），经对数压缩生成B模式图像。

2. 实验设计与样本
- 仿体实验：
- 点目标与囊肿仿体：使用Field II模拟和CIRS 040GS仿体，评估图像质量参数（SNR信噪比、FWHM半高全宽、CNR对比噪声比）。
- 针头可视化实验：在明胶仿体中插入18G针头，对比双分段阵列与传统斜角穿刺的针头可见性。
- 离体实验：
- 猪肾模型：嵌入陶瓷球模拟结石，进行20次穿刺试验，通过C臂X射线验证穿刺误差（图11-13）。

3. 数据分析方法
- 图像质量量化：SNR（公式2）、FWHM（公式3）、CNR（公式4）分别评估信号强度、分辨率和对比度。
- 穿刺误差计算：欧氏距离（Euclidean Distance）测量针尖与目标中心的偏差，按误差分为“优秀”（<1 mm）、“良好”（<3 mm）、“合格”（>3 mm）。

主要结果

1. 图像质量验证
- 仿真与仿体实验：双分段阵列的SNR（40.59 dB@70 mm）、FWHM（0.97 mm@99 mm）与无孔阵列（Ground Truth）接近，证明中心开孔未显著降低成像质量（图5-7）。囊肿仿体的CNR误差仅7%（表II）。
- 针头可视化：双分段阵列可从穿刺起始阶段全程显示针头，而传统斜角穿刺需针头进入视野后才可见（图10）。

2. 穿刺准确性
- 离体猪肾实验：20次穿刺的平均误差为2.94±1.09 mm（图13），其中35%达到“优秀”标准，验证了深部穿刺的可行性。

结论与价值

科学意义
- 技术突破：首次将中心开孔阵列扩展至深部组织（80–100 mm），为PCNL等深部介入手术提供无辐射、低认知负荷的解决方案。
- 临床价值：通过自动针头-图像对齐，减少穿刺次数和并发症（如出血），缩短手术时间（平均穿刺时间5±0.0041 s）。

局限性
- 当前原型基于商用探头拼接，阵元间距（0.32 mm）限制了分辨率优化；未来需开发定制化阵列及改进成像算法。

研究亮点

1. 创新设计：双分段阵列结合中心开孔与波束控制，解决了深部穿刺中针头偏斜和可视化的双重挑战。
   
2. 多模态验证：通过仿真、仿体、离体实验全面评估性能，数据支持充分。
   
3. 临床转化潜力：误差2.94 mm满足PCNL需求（通常允许误差 mm），为后续活体研究奠定基础。
   

其他价值
- 提出的波束控制方法可推广至其他超声引导介入场景（如肝穿刺），具有普适性意义。

（报告字数：约1800字）