Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Näyttää kolmen dian karusellin kerralla.Käytä Edellinen- ja Seuraava-painikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan tai käytä lopussa olevia liukusäädinpainikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan.
Äskettäin on osoitettu, että ultraäänen käyttö voi parantaa kudosten tuottoa ultraäänitehostetussa hienoneula-aspiraatiobiopsiassa (USeFNAB) verrattuna tavanomaiseen hienoneula-aspiraatiobiopsiaan (FNAB).Viistegeometrian ja neulan kärjen toiminnan välistä suhdetta ei ole vielä tutkittu.Tässä tutkimuksessa tutkimme neularesonanssin ja taipumaamplitudin ominaisuuksia erilaisille neulan viistegeometrioille eri viisteen pituuksilla.Käytettäessä tavanomaista lansettia, jonka leikkaus on 3,9 mm, kärjen taipumatehokerroin (DPR) oli 220 ja 105 µm/W vedessä, vastaavasti.Tämä on korkeampi kuin akselisymmetrinen 4 mm:n viistekärki, joka saavutti DPR:n 180 ja 80 µm/W vedessä, vastaavasti.Tämä tutkimus korostaa viistegeometrian taivutusjäykkyyden välisen suhteen tärkeyttä erilaisten sisäänvientiapuvälineiden yhteydessä ja voi siten antaa käsityksen menetelmistä, joilla voidaan ohjata leikkaustoimintoa puhkaisun jälkeen muuttamalla neulan viistegeometriaa, mikä on tärkeää USeFNAB:lle.Sovelluksella on merkitystä.
Fine needle aspiration biopsia (FNAB) on tekniikka, jossa neulaa käytetään kudosnäytteen ottamiseksi, kun epäillään poikkeavuutta1,2,3.Franseen-tyyppisten kärkien on osoitettu tarjoavan paremman diagnostisen suorituskyvyn kuin perinteiset Lancet4- ja Menghini5-kärjet.Aksisymmetrisiä (eli kehämäisiä) viisteitä on myös ehdotettu lisäävän riittävän näytteen todennäköisyyttä histopatologiaan6.
Biopsian aikana neula viedään iho- ja kudoskerrosten läpi epäilyttävän patologian paljastamiseksi.Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että ultraääniaktivointi voi vähentää pehmytkudoksiin pääsemiseksi tarvittavaa pistovoimaa7,8,9,10.Neulan viisteen geometrian on osoitettu vaikuttavan neulan vuorovaikutusvoimiin, esim. pidemmillä viisteillä on osoitettu olevan pienemmät kudoksen tunkeutumisvoimat 11 .On esitetty, että sen jälkeen, kun neula on tunkeutunut kudoksen pintaan, eli puhkaisun jälkeen, neulan leikkausvoima voi olla 75 % neulan ja kudoksen kokonaisvuorovaikutusvoimasta12.Ultraäänen (US) on osoitettu parantavan diagnostisen pehmytkudosbiopsian laatua pistoksen jälkeisessä vaiheessa13.Muita menetelmiä luubiopsian parantamiseksi on kehitetty kovakudosnäytteitä varten14,15, mutta tuloksia, jotka parantaisivat biopsian laatua, ei ole raportoitu.Useat tutkimukset ovat myös havainneet, että mekaaninen siirtymä kasvaa ultraäänikäyttöjännitteen kasvaessa16,17,18.Vaikka on olemassa monia tutkimuksia aksiaalisista (pitkittäissuuntaisista) staattisista voimista neulan ja kudosten vuorovaikutuksissa19, 20, ultraäänitehostetussa FNAB:ssa (USeFNAB) ajallista dynamiikkaa ja neulan viistegeometriaa koskevat tutkimukset ovat rajallisia.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia eri viistegeometrioiden vaikutusta neulan kärjen toimintaan, joka johtuu neulan taipumisesta ultraäänitaajuuksilla.Erityisesti tutkimme injektioväliaineen vaikutusta neulan kärjen taipumiseen puhkaisun jälkeen tavanomaisten neulanviisteiden (esim. lansettien), akselisymmetristen ja epäsymmetristen yhden viisteen geometrioiden (Kuva helpottaa USeFNAB-neulojen kehittämistä eri tarkoituksiin, kuten valikoivaan imuon) pääsy tai pehmytkudosten ytimet.
Tähän tutkimukseen sisältyi erilaisia viistegeometrioita.(a) Lansetit, jotka ovat standardin ISO 7864:201636 mukaisia, missä \(\alpha\) on ensisijainen viistekulma, \(\theta\) on toissijainen viisteen kiertokulma ja \(\phi\) on toissijainen viisteen kiertokulma astetta , asteina (\(^\circ\)).(b) lineaariset epäsymmetriset yksiportaiset viisteet (kutsutaan standardiksi DIN 13097:201937:ssä) ja (c) lineaariset akselisymmetriset (kehän suuntaiset) yksiportaiset viisteet.
Lähestymistapamme on ensin mallintaa taivutusaallonpituuden muutos kaltevuutta pitkin tavanomaisille lansetti-, akselisymmetrisille ja epäsymmetrisille yksivaiheisille kaltevuusgeometrioille.Sitten laskimme parametrisen tutkimuksen tutkiaksemme viistekulman ja putken pituuden vaikutusta kuljetusmekanismin liikkuvuuteen.Tämä tehdään prototyypin neulan optimaalisen pituuden määrittämiseksi.Simuloinnin perusteella tehtiin neulaprototyyppejä ja niiden resonanssikäyttäytyminen ilmassa, vedessä ja 10 % (w/v) ballistisessa gelatiinissa karakterisoitiin kokeellisesti mittaamalla jännitteen heijastuskerroin ja laskemalla tehonsiirtohyötysuhde, josta toimintataajuus laskettiin. päättänyt..Lopuksi nopeaa kuvantamista käytetään mittaamaan suoraan neulan kärjessä olevan taivutusaallon taipuma ilmassa ja vedessä ja arvioimaan kunkin kallistuksen välittämä sähköteho ja ruiskutetun kohteen taipumatehokerroin (DPR) geometria. keskikokoinen.
Kuten kuvassa 2a on esitetty, käytä putkea nro 21 (0,80 mm ulkohalkaisija, 0,49 mm sisähalkaisija, 0,155 mm putken seinämän paksuus, standardiseinä standardin ISO 9626:201621 mukaisesti), joka on valmistettu ruostumattomasta teräksestä 316 (Youngin moduuli 205).\(\teksti {GN/m}^{2}\), tiheys 8070 kg/m\(^{3}\), Poissonin suhde 0,275).
Taivutusaallonpituuden määritys ja neulan ja reunaehtojen elementtimallin (FEM) viritys.(a) Viistepituuden (BL) ja putken pituuden (TL) määrittäminen.(b) Kolmiulotteinen (3D) elementtimalli (FEM), jossa käytetään harmonista pistevoimaa \(\tilde{F}_y\vec{j}\) neulan virittämiseen proksimaalisessa päässä, pisteen poikkeuttamiseksi ja nopeuden mittaamiseksi kärkeä kohti (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) mekaanisen kuljetuksen liikkuvuuden laskemiseksi.\(\lambda _y\) määritellään taivutusaallonpituudeksi, joka liittyy pystyvoimaan \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Määritä painopiste, poikkileikkauspinta-ala A ja hitausmomentit \(I_{xx}\) ja \(I_{yy}\) x-akselin ja y-akselin ympärillä.
Kuten kuvassa näkyy.2b,c, äärettömälle (äärettömälle) säteelle, jonka poikkipinta-ala on A ja suurella aallonpituudella verrattuna säteen poikkileikkauksen kokoon, taivutusvaihenopeus \(c_{EI}\ ) määritellään 22:ksi:
missä E on Youngin moduuli (\(\teksti {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) on virityksen kulmataajuus (rad/s), missä \( f_0 \ ) on lineaarinen taajuus (1/s tai Hz), I on kiinnostusakselin ympärillä olevan alueen hitausmomentti \((\text {m}^{4})\) ja \(m'=\ rho _0 A \) on pituuden massa (kg/m), missä \(\rho _0\) on tiheys \((\teksti {kg/m}^{3})\) ja A on risti -palkin leikkauspinta-ala (xy-taso) (\ (\teksti {m}^{2}\)).Koska tässä tapauksessa kohdistettu voima on yhdensuuntainen pystysuoran y-akselin kanssa, eli \(\tilde{F}_y\vec {j}\), kiinnostaa vain vaakasuuntaista x-aluetta ympäröivän alueen hitausmomentti. akseli, eli \(I_{xx} \), joten:
Elementtimallissa (FEM) oletetaan puhdas harmoninen siirtymä (m), joten kiihtyvyys (\(\teksti {m/s}^{2}\)) ilmaistaan muodossa \(\partial ^2 \vec { u}/ \ osittainen t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), esim. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) on tilakoordinaateina määritelty kolmiulotteinen siirtymävektori.Viimeksi mainitun korvaaminen momenttitasapainolain äärimmäisen muotoutuvalla Lagrangen muodolla23 sen toteutuksen mukaisesti COMSOL Multiphysics -ohjelmistopaketissa (versiot 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), antaa:
Missä \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ ? { N /m}^{2}\)), ja \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) on kunkin muotoaan muuttavan tilavuuden kehon voiman (\(\teksti {N/m}^{3}\)) vektori ja \(e^{j\phi }\) on kehon voima, sen vaihekulma \(\ phi\) (rad).Tässä tapauksessa kappaleen tilavuusvoima on nolla ja mallimme olettaa geometrista lineaarisuutta ja pieniä puhtaasti elastisia muodonmuutoksia, eli \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), jossa \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) ja \({\underline{ \varepsilon}}\) – vastaavasti elastinen muodonmuutos ja kokonaismuodonmuutos (toisen asteen mittaamaton).Hooken konstitutiivinen isotrooppinen elastisuustensori \(\alleviivaus {\alleviivaus {C))\) saadaan käyttämällä Youngin moduulia E(\(\teksti{N/m}^{2}\)) ja Poissonin suhde v määritellään niin, että \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (neljäs järjestys).Joten jännityslaskennasta tulee \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Laskelmat suoritettiin 10-solmun tetraedrisillä elementeillä, joiden elementin koko oli \(\le\) 8 μm.Neula mallinnetaan tyhjiössä, ja mekaaninen liikkuvuuden siirtoarvo (ms-1 H-1) määritellään seuraavasti: \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, jossa \(\tilde{v}_y\vec {j}\) on käsikappaleen kompleksilähtönopeus ja \(\tilde{ F} _y\vec {j }\) on monimutkainen käyttövoima, joka sijaitsee putken proksimaalisessa päässä, kuten kuvassa 2b esitetään.Transmissiivinen mekaaninen liikkuvuus ilmaistaan desibeleinä (dB) käyttämällä viitearvoa maksimiarvoa, eli \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Kaikki FEM-tutkimukset suoritettiin taajuudella 29,75 kHz.
Neulan rakenne (kuva 3) koostuu perinteisestä 21 gaugen hypodermisestä neulasta (luettelonumero: 4665643, Sterican\(^\circledR\), jonka ulkohalkaisija on 0,8 mm, pituus 120 mm, valmistettu AISI:sta kromi-nikkeli ruostumaton teräs 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Saksa) asetti proksimaalisen polypropeenista valmistettu muovinen Luer Lock -holkki vastaavalla kärjen modifikaatiolla.Neulaputki juotetaan aaltoputkeen kuvan 3b mukaisesti.Aaltoputki tulostettiin ruostumattomasta teräksestä valmistetulle 3D-tulostimelle (EOS Stainless Steel 316L EOS M 290 3D-tulostimella, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Suomi) ja kiinnitettiin sitten Langevin-anturiin M4-pulteilla.Langevin-anturi koostuu 8 pietsosähköisestä rengaselementistä, joiden kummassakin päässä on kaksi painoa.
Neljän tyyppisen kärjen (kuvassa), kaupallisesti saatavan lansetin (L) ja kolmen valmistetun akselisymmetrisen yksivaiheisen viisteen (AX1–3) tunnusomaiset viistepituudet (BL) olivat 4, 1,2 ja 0,5 mm.(a) Lähikuva valmiista neulankärjestä.(b) Ylhäältä katsottuna neljä nastaa, jotka on juotettu 3D-tulostettuun aaltoputkeen ja liitetty sitten Langevin-anturiin M4-pulteilla.
Kolme akselisymmetristä viistekärkeä (Kuva 3) (TAs Machine Tools Oy) valmistettiin viisteen pituuksilla (BL, määritetty kuvassa 2a) 4,0, 1,2 ja 0,5 mm, mikä vastaa \(\noin\) 2\ (^\) circ\), 7\(^\circ\) ja 18\(^\circ\).Aaltoputken ja kynän painot ovat 3,4 ± 0,017 g (keskiarvo ± SD, n = 4) viisteelle L ja AX1-3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Saksa).Kokonaispituus neulan kärjestä muoviholkin päähän on 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm viisteellä L ja AX1-3 kuvassa 3b, vastaavasti.
Kaikissa neulakokoonpanoissa pituus neulan kärjestä aaltoputken kärkeen (eli juotosalue) on 4,3 cm, ja neulaputki on suunnattu siten, että viiste on ylöspäin (eli yhdensuuntainen Y-akselin kanssa ).), kuten (kuva 2).
Mukautettua skriptiä MATLABissa (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) käytettiin tietokoneessa (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) luomaan lineaarinen sinimuotoinen pyyhkäisy 25 kHz:stä 35 kHz:iin 7 sekunnissa. muunnetaan analogiseksi signaaliksi digitaali-analogi-muuntimella (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Analoginen signaali \(V_0\) (0,5 Vp-p) vahvistettiin sitten erillisellä radiotaajuusvahvistimella (Mariachi Oy, Turku, Suomi).Laskeva vahvistusjännite \({V_I}\) lähetetään RF-vahvistimesta lähtöimpedanssilla 50 \(\Omega\) neularakenteeseen sisäänrakennettuun muuntajaan, jonka tuloimpedanssi on 50 \(\Omega)\) Langevin-anturia (etu- ja takamonikerroksisia pietsosähköisiä muuntajia, kuormitettu massalla) käytetään mekaanisten aaltojen tuottamiseen.Mukautettu RF-vahvistin on varustettu kaksikanavaisella seisovaaaltotehokertoimen (SWR) mittarilla, joka voi havaita tapahtuvan \({V_I}\) ja heijastuneen vahvistetun jännitteen \(V_R\) 300 kHz:n analogisesta digitaaliseen (AD) kautta. ) -muunnin (Analog Discovery 2).Herätyssignaali on amplitudimoduloitu alussa ja lopussa, jotta estetään vahvistimen tulon ylikuormittaminen transienteilla.
Käyttämällä mukautettua skriptiä, joka on toteutettu MATLABissa, taajuusvastefunktio (AFC) eli olettaa lineaarisen kiinteän järjestelmän.Käytä myös 20–40 kHz:n kaistanpäästösuodatinta poistaaksesi ei-toivotut taajuudet signaalista.Siirtojohtoteoriaan viitaten \(\tilde{H}(f)\) vastaa tässä tapauksessa jännitteen heijastuskerrointa, eli \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Koska vahvistimen lähtöimpedanssi \(Z_0\) vastaa muuntimen sisäänrakennetun muuntajan tuloimpedanssia ja sähkötehon heijastuskerroin \({P_R}/{P_I}\) on pienennetty arvoon \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), sitten on \(|\rho _{V}|^2\).Jos vaaditaan sähkötehon itseisarvo, laske tapahtuma \(P_I\) ja heijastunut\(P_R\) teho (W) ottamalla esimerkiksi vastaavan jännitteen neliökeskiarvo (rms). siirtolinjalle, jossa on sinimuotoinen heräte, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, jossa \(Z_0\) on 50 \(\Omega\).Kuormaan \(P_T\) (eli asetettuun väliaineeseen) syötetty sähköteho voidaan laskea muodossa \(|P_I – P_R |\) (W RMS) ja tehonsiirtotehokkuus (PTE) voidaan määritellä ja ilmaista prosenttiosuus (%) antaa siis 27:
Taajuusvastetta käytetään sitten stylus-suunnittelun modaalisten taajuuksien \(f_{1-3}\) (kHz) ja vastaavan tehonsiirron tehokkuuden arvioimiseen, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\teksti {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) on arvioitu suoraan arvosta \(\text {PTE}_{1{-}3}\), taulukosta 1 taajuudet \(f_{1-3}\) kuvataan kohdassa .
Menetelmä neularakenteen taajuusvasteen (AFC) mittaamiseksi.Kaksikanavaista pyyhkäissinimittausta25,38 käytetään taajuusvasteen funktion \(\tilde{H}(f)\) ja sen impulssivasteen H(t) saamiseksi.\({\mathcal {F}}\) ja \({\mathcal {F}}^{-1}\) tarkoittavat numeerista katkaistua Fourier-muunnosta ja käänteismuunnostoimintoa.\(\tilde{G}(f)\) tarkoittaa, että kaksi signaalia kerrotaan taajuusalueella, esim. \(\tilde{G}_{XrX}\) tarkoittaa käänteistä pyyhkäisyä\(\tilde{X} r( f )\) ja jännitehäviösignaali \(\tilde{X}(f)\).
Kuten kuvassa näkyy.5, nopea kamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA), jossa on makro-objektiivi (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. .., Tokio, Japani) käytettiin kirjaamaan neulankärjen taipuminen, joka oli altistettu taivutusviritykselle (yksi taajuus, jatkuva sinimuoto) taajuudella 27,5–30 kHz.Varjokartan luomiseksi neulan viisteen taakse asetettiin jäähdytetty elementti korkean intensiteetin valkoisesta LED-valosta (osanumero: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Saksa).
Etunäkymä kokeellisesta kokoonpanosta.Syvyys mitataan materiaalin pinnasta.Neulan rakenne on kiinnitetty ja asennettu moottoroidulle siirtopöydälle.Käytä nopeaa kameraa, jossa on suuri suurennos (5\(\time\))) viistetyn kärjen taipuman mittaamiseen.Kaikki mitat ovat millimetreinä.
Kutakin neulan viistetyyppiä kohden tallensimme 300 nopeaa, 128 \(\x\) 128 pikselin kamerakehystä, joiden jokaisen tilaresoluutio on 1/180 mm (\(\noin) 5 µm, ajallisella resoluutiolla 310 000 kuvaa sekunnissa.Kuten kuvassa 6, jokainen kehys (1) rajataan (2) siten, että kärki on kehyksen viimeisellä rivillä (alareunassa), ja sitten lasketaan kuvan histogrammi (3), joten Cannyn kynnykset 1 ja 2 voidaan määrittää.Käytä sitten Canny28(4) reunantunnistusta Sobel-operaattorilla 3 \(\times\) 3 ja laske ei-kavitationaalisen hypotenuusan (merkitty \(\mathbf {\times }\)) pikselin sijainti kaikille 300-kertaisille vaiheille. .Poikkeutuksen jännevälin määrittämiseksi lopussa lasketaan derivaatta (keskieroalgoritmia käyttäen) (6) ja tunnistetaan taipuman (7) paikallisen ääripään (eli huipun) sisältävä kehys.Kavitoitumattoman reunan silmämääräisen tarkastuksen jälkeen valittiin kehyspari (tai kaksi kehystä erotettuina puolivälillä) (7) ja mitattiin kärjen taipuma (merkittiin \(\mathbf {\times} \ ) Yllä oleva toteutettiin Pythonissa (v3.8, Python Software Foundation, python.org) käyttämällä OpenCV Canny -reunatunnistusalgoritmia (v4.5.1, avoimen lähdekoodin tietokonenäkökirjasto, opencv.org). sähköteho \ (P_T \) (W, rms) .
Kärjen taipuma mitattiin käyttämällä sarjaa kuvia, jotka on otettu nopeasta kamerasta taajuudella 310 kHz käyttämällä 7-vaiheista algoritmia (1-7), mukaan lukien kehystys (1-2), Canny-reunan tunnistus (3-4), pikselin sijainnin reuna. laskelma (5) ja niiden aikaderivaatat (6) ja lopuksi huipusta huippuun -kärjen taipuma mitattiin visuaalisesti tarkastetuilla kehyspareilla (7).
Mittaukset tehtiin ilmassa (22,4-22,9°C), deionisoidussa vedessä (20,8-21,5°C) ja ballistisessa gelatiinissa 10 % (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text) { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Naudan ja porsaan luugelatiini tyypin I ballistiseen analyysiin, Honeywell International, North Carolina, USA).Lämpötila mitattiin K-tyypin lämpöparivahvistimella (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) ja K-tyypin lämpöparilla (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Väliaineesta Syvyys mitattiin pinnasta (asetettu z-akselin origoksi) käyttämällä pystysuoraa moottoroitua z-akselin vaihetta (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilna, Liettua) resoluutiolla 5 µm.askelta kohti.
Koska otoskoko oli pieni (n = 5) eikä normaalia voitu olettaa, käytettiin kahden otoksen kaksisuuntaista Wilcoxonin rank-summatestiä (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-projekti .org). vertailla varianssineulan kärjen määrää eri viisteille.Vertailuja oli 3 kaltevuutta kohden, joten käytettiin Bonferroni-korjausta oikaistulla merkitsevyystasolla 0,017 ja virhetasolla 5 %.
Siirrytään nyt kuvaan 7.29,75 kHz:n taajuudella 21 gaugen neulan taivutuspuoliaalto (\(\lambda_y/2\)) on \(\noin) 8 mm.Kun kärkeä lähestytään, taivutusaallonpituus pienenee vinokulmaa pitkin.Kärjessä \(\lambda _y/2\) \(\noin\) on 3, 1 ja 7 mm:n portaat yhden neulan tavanomaiselle lansolaattiselle (a), epäsymmetriselle (b) ja aksisymmetriselle (c) kalteelle. , vastaavasti.Tämä tarkoittaa siis, että lansetin kantama on \(\noin) 5 mm (johtuen siitä, että lansetin kaksi tasoa muodostavat yhden pisteen29,30), epäsymmetrinen viiste on 7 mm, epäsymmetrinen viiste on 1 mm.Aksisymmetriset rinteet (painopiste pysyy vakiona, joten vain putken seinämän paksuus muuttuu todellisuudessa kaltevuutta pitkin).
FEM-tutkimukset ja yhtälöiden soveltaminen taajuudella 29,75 kHz.(1) Laskettaessa taivutuspuoliaallon vaihtelua (\(\lambda_y/2\)) lansetin (a), epäsymmetrisen (b) ja akselisymmetrisen (c) viistegeometrioiden osalta (kuten kuvassa 1a,b,c). ) .Lansetin, epäsymmetrisen ja akselisymmetrisen viisteen keskiarvo \(\lambda_y/2\) oli 5,65, 5,17 ja 7,52 mm.Huomaa, että kärjen paksuus epäsymmetrisissä ja aksisymmetrisissä viisteissä on rajoitettu \(\noin) 50 µm:iin.
Huippuliikkuvuus \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) on putken pituuden (TL) ja viisteen pituuden (BL) optimaalinen yhdistelmä (kuvat 8, 9).Perinteiselle lansetille, koska sen koko on kiinteä, optimaalinen TL on \(\noin) 29,1 mm (kuva 8).Epäsymmetrisille ja aksisymmetrisille viisteille (kuvat 9a ja b) FEM-tutkimukset sisälsivät BL:n 1 - 7 mm, joten optimaaliset TL:t olivat 26,9 - 28,7 mm (alue 1,8 mm) ja 27,9 - 29,2 mm (alue). 1,3 mm), vastaavasti.Epäsymmetrisen kaltevuuden (kuvio 9a) kohdalla optimaalinen TL kasvoi lineaarisesti, saavutti tasanteen BL:ssä 4 mm ja laski sitten jyrkästi BL 5:stä 7 mm:iin.Aksisymmetriselle viisteelle (kuvio 9b) optimaalinen TL kasvoi lineaarisesti BL:n kasvaessa ja lopulta stabiloitui BL:ssä 6:sta 7 mm:iin.Laajennettu akselisymmetrisen kallistuksen tutkimus (kuva 9c) paljasti erilaisen joukon optimaalisia TL-arvoja \(\noin) 35,1–37,1 mm.Kaikissa BL:issä kahden parhaan TL:n välinen etäisyys on \(\noin\) 8 mm (vastaa \(\lambda_y/2\)).
Lansetin lähetyksen liikkuvuus taajuudella 29,75 kHz.Neula viritettiin joustavasti 29,75 kHz:n taajuudella ja tärinä mitattiin neulan kärjestä ja ilmaistiin siirretyn mekaanisen liikkuvuuden määränä (dB suhteessa maksimiarvoon) TL:lle 26,5-29,5 mm (0,1 mm:n välein). .
FEM:n parametriset tutkimukset taajuudella 29,75 kHz osoittavat, että putken pituuden muutos vaikuttaa vähemmän aksisymmetrisen kärjen siirtoliikkuvuuteen kuin sen epäsymmetrisen vastineen.Epäsymmetrisen (a) ja akselisymmetrisen (b, c) viistegeometrioiden viistepituuden (BL) ja putken pituuden (TL) tutkimukset taajuusalueen tutkimuksessa FEM:llä (rajaehdot on esitetty kuvassa 2).(a, b) TL vaihteli välillä 26,5-29,5 mm (0,1 mm askel) ja BL 1-7 mm (0,5 mm askel).(c) Laajennetut akselisymmetriset kallistustutkimukset, mukaan lukien TL 25–40 mm (0,05 mm:n välein) ja BL 0,1–7 mm (0,1 mm:n välein), jotka osoittavat, että \(\lambda_y/2\ ) on täytettävä kärjen vaatimukset.liikkuvat reunaehdot.
Neulakonfiguraatiossa on kolme ominaistaajuutta \(f_{1-3}\) jaettuna matalan, keskitason ja korkean tilan alueisiin taulukon 1 mukaisesti. PTE-koko tallennettiin kuvan 1 mukaisesti.10 ja analysoidaan sitten kuvassa 11. Alla on kunkin modaalialueen havainnot:
Tyypilliset tallennetut hetkellisen tehonsiirron tehokkuuden (PTE) amplitudit, jotka on saatu pyyhkäisytaajuudella sinimuotoisella virityksellä lansetille (L) ja akselisymmetriselle viisteelle AX1-3 ilmassa, vedessä ja gelatiinissa 20 mm:n syvyydessä.Yksipuoliset spektrit näytetään.Mitattu taajuusvaste (näytteenotto taajuudella 300 kHz) alipäästösuodatettiin ja pienennettiin sitten kertoimella 200 modaalianalyysiä varten.Signaali-kohinasuhde on \(\le\) 45 dB.PTE-vaiheet (violetti katkoviivat) näytetään asteina (\(^{\circ}\)).
Kuvassa 10 esitetty modaalivasteanalyysi (keskiarvo ± keskihajonta, n = 5) rinteille L ja AX1-3, ilmassa, vedessä ja 10 % gelatiinissa (syvyys 20 mm), jossa (ylä) kolme modaalialuetta ( matala, keski ja korkea) ja niitä vastaavat modaalitaajuudet\(f_{1-3 }\) (kHz), (keskimääräinen) energiatehokkuus \(\teksti {PTE}_{1{-}3}\) Laskettu ekvivalenteilla .(4) ja (alhaalla) täysi leveys puolet maksimimitoista \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), vastaavasti.Huomaa, että kaistanleveyden mittaus ohitettiin, kun alhainen PTE rekisteröitiin, eli \(\teksti {FWHM}_{1}\) AX2-kaltevuuden tapauksessa.Tilan \(f_2\) havaittiin olevan sopivin kaltevuuspoikkeamien vertailuun, sillä se osoitti korkeimman tehonsiirron tehokkuuden (\(\teksti {PTE}_{2}\)), jopa 99 %.
Ensimmäinen modaalinen alue: \(f_1\) ei riipu paljon lisätyn väliaineen tyypistä, mutta riippuu kaltevuuden geometriasta.\(f_1\) pienenee viisteen pituuden pienentyessä (27,1, 26,2 ja 25,9 kHz ilmassa AX1-3:lle, vastaavasti).Alueelliset keskiarvot \(\text {PTE}_{1}\) ja \(\text {FWHM}_{1}\) ovat \(\noin\) 81 % ja 230 Hz.\(\teksti {FWHM}_{1}\) on Lancetin korkein gelatiinipitoisuus (L, 473 Hz).Huomaa, että \(\text {FWHM}_{1}\) AX2:ta gelatiinissa ei voitu arvioida alhaisen tallennetun FRF-amplitudin vuoksi.
Toinen modaalinen alue: \(f_2\) riippuu lisätyn median tyypistä ja viisteestä.Keskiarvot \(f_2\) ovat 29,1, 27,9 ja 28,5 kHz ilmassa, vedessä ja gelatiinissa.Tällä modaalialueella oli myös korkea PTE, 99 %, korkein kaikista mitatuista ryhmistä, alueellisen keskiarvon ollessa 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) on alueellinen keskiarvo \(\noin\) 910 Hz.
Kolmannen tilan alue: taajuus \(f_3\) riippuu mediatyypistä ja viisteestä.Keskimääräiset \(f_3\)-arvot ovat 32,0, 31,0 ja 31,3 kHz ilmassa, vedessä ja gelatiinissa, vastaavasti.Alueellinen keskiarvo \(\text {PTE}_{3}\) oli \(\noin\) 74 %, alhaisin kaikista alueista.Alueellinen keskiarvo \(\teksti {FWHM}_{3}\) on \(\noin\) 1085 Hz, mikä on korkeampi kuin ensimmäinen ja toinen alue.
Seuraava viittaa kuvioon.12 ja taulukko 2. Lansetti (L) taipui eniten (suuri merkitys kaikille kärkeille, \(p<\) 0,017) sekä ilmassa että vedessä (kuva 12a), jolloin saavutettiin korkein DPR (jopa 220 µm/ W ilmassa). 12 ja taulukko 2. Lansetti (L) taipui eniten (suuri merkitys kaikille kärkeille, \(p<\) 0,017) sekä ilmassa että vedessä (kuva 12a), jolloin saavutettiin korkein DPR (jopa 220 µm/ W ilmassa). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше вселнаххчисонея значику ков, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Seuraava koskee kuviota 12 ja taulukkoa 2. Lansetti (L) taipui eniten (suuri merkitys kaikille kärjeille, \(p<\) 0,017) sekä ilmassa että vedessä (kuvio 12a), jolloin saavutettiin korkein DPR.(jopa 220 μm/W ilmassa).Smt.Kuva 12 ja taulukko 2 alla.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性，\(p<\)性，\(p<\)性，\(p<\) 0,017高DPR （在空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L):llä on suurin taipuma ilmassa ja vedessä (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), ja se saavutti suurimman DPR:n (jopa 220 µm/W). ilmaa). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в водистри.хестри.хестри.хесду. я наибольшего DPR (220 мкм/Вт в воздухе). Lansetti (L) taipui eniten (korkea merkitys kaikille kärjille, \(p<\) 0,017) ilmassa ja vedessä (kuva 12a) saavuttaen korkeimman DPR:n (jopa 220 µm/W ilmassa). Ilmassa AX1, jolla oli korkeampi BL, taipui enemmän kuin AX2–3 (merkittävyyden ollessa \(p<\) 0,017), kun taas AX3 (jolla oli alhaisin BL) taipui enemmän kuin AX2 DPR:llä 190 µm/W. Ilmassa AX1, jolla oli korkeampi BL, taipui enemmän kuin AX2–3 (merkittävyyden ollessa \(p<\) 0,017), kun taas AX3 (jolla oli alhaisin BL) taipui enemmän kuin AX2 DPR:llä 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), BL кизакимы (ска) лонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Ilmassa AX1, jolla on korkeampi BL, taipui korkeammalle kuin AX2–3 (merkittävyyden ollessa \(p<\) 0,017), kun taas AX3 (pienimmän BL:n kanssa) taipui enemmän kuin AX2 DPR:llä 190 µm/W.在空气中，具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\)扉伄缚有䅅3，耀偏转大于AX2, DPR 为 190 µm/W . Ilmassa AX1:n taipuma korkeammalla BL:llä on suurempi kuin AX2-3:lla (merkittävästi \(p<\) 0,017) ja AX3:n taipuma (pienimmällä BL:llä) on suurempi kuin AX2:lla, DPR on 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда (канслакимом3 ется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Ilmassa AX1, jolla on korkeampi BL, taipuu enemmän kuin AX2-3 (merkittävä, \(p<\) 0,017), kun taas AX3 (alhaisin BL) taipuu enemmän kuin AX2 DPR:llä 190 µm/W.20 mm vedessä taipuma ja PTE AX1-3 eivät eronneet merkittävästi (\(p>\) 0,017).PTE-tasot vedessä (90,2–98,4 %) olivat yleensä korkeammat kuin ilmassa (56–77,5 %) (kuva 12c), ja kavitaatioilmiö havaittiin vedessä tehdyn kokeen aikana (kuva 13, katso myös lisätiedot). tiedot).
Viisteille L ja AX1-3 ilmassa ja vedessä (syvyys 20 mm) mitattu kärjen taipuma (keskiarvo ± SD, n = 5) osoittaa viisteen geometrian muuttumisen vaikutuksen.Mittaukset saatiin käyttämällä jatkuvaa yksitaajuista sinimuotoista viritystä.(a) Huipusta huippuun poikkeama (\(u_y\vec {j}\)) kärjessä, mitattuna (b) niiden vastaavilla modaalisilla taajuuksilla \(f_2\).(c) Yhtälön tehonsiirron hyötysuhde (PTE, RMS, %).(4) ja (d) Taipumatehokerroin (DPR, µm/W) laskettuna huipusta huippuun poikkeamana ja lähetetyn sähkötehon \(P_T\) (Wrms).
Tyypillinen nopean kameran varjokaavio, joka näyttää lansetin (L) ja akselisymmetrisen kärjen (AX1–3) huipusta huippuun poikkeaman (vihreät ja punaiset katkoviivat) vedessä (syvyys 20 mm) puolen jakson aikana.sykli, herätetaajuudella \(f_2\) (näytteenottotaajuus 310 kHz).Otetun harmaasävykuvan koko on 128 × 128 pikseliä ja pikselikoko \(\noin\) 5 µm.Video löytyy lisätiedoista.
Niinpä mallinnettiin taivutusaallonpituuden muutos (kuva 7) ja laskettiin siirrettävä mekaaninen liikkuvuus putken pituuden ja viisteen yhdistelmille (kuvat 8, 9) tavanomaisten geometristen muotojen lansettien, epäsymmetristen ja aksisymmetristen viisteiden osalta.Jälkimmäisen perusteella arvioimme optimaalisen etäisyyden 43 mm (tai \(\noin) 2,75\(\lambda _y\) taajuudella 29,75 kHz) kärjestä hitsiin, kuten kuvassa 5 on esitetty, ja teimme Kolmen akselinsymmetrisen viisteet eri pituuksilla.Tämän jälkeen karakterisoimme niiden taajuuskäyttäytymisen ilmassa, vedessä ja 10 % (w/v) ballistisessa gelatiinissa verrattuna tavanomaisiin lansetteihin (kuvat 10, 11) ja määritimme viistepoikkeaman vertailuun sopivimman tilan.Lopuksi mittasimme kärjen taipuman taivutusaallon ilmassa ja vedessä 20 mm:n syvyydessä ja määritimme kullekin viisteelle lisäysväliaineen tehonsiirron tehokkuuden (PTE, %) ja taipumatehokertoimen (DPR, µm/W).kulmikas tyyppi (kuva 12).
Neulan viisteen geometrian on osoitettu vaikuttavan neulan kärjen taipumiseen.Lansetti saavutti suurimman taipuman ja suurimman DPR:n verrattuna akselisymmetriseen viisteeseen, jolla oli pienempi keskimääräinen taipuma (kuva 12).4 mm:n akselisymmetrinen viiste (AX1) pisimmällä viisteellä saavutti tilastollisesti merkitsevän maksimipoikkeaman ilmassa verrattuna muihin aksisymmetrisiin neuloihin (AX2–3) (\(p < 0,017\), taulukko 2), mutta merkitsevää eroa ei ollut. .havaitaan, kun neula laitetaan veteen.Näin ollen pidemmällä viistepituudella ei ole ilmeistä etua kärjessä olevan huipun taipuman kannalta.Tämä huomioon ottaen näyttää siltä, että tässä tutkimuksessa tutkitulla viisteen geometrialla on suurempi vaikutus taipumiseen kuin viisteen pituudella.Tämä voi johtua taivutusjäykkyydestä, esimerkiksi riippuen taivutettavan materiaalin kokonaispaksuudesta ja neulan rakenteesta.
Kokeellisissa tutkimuksissa heijastuneen taivutusaallon suuruuteen vaikuttavat kärjen rajaolosuhteet.Kun neulan kärki työnnetään veteen ja gelatiiniin, \(\teksti {PTE}_{2}\) on \(\noin\) 95 % ja \(\teksti {PTE}_{ 2}\) on \ (\text {PTE}_{ 2}\) arvot ovat 73 % ja 77 % kohteille (\text {PTE}_{1}\) ja \(\text {PTE}_{3}\), vastaavasti (kuva 11).Tämä osoittaa, että akustisen energian maksimisiirto valuväliaineeseen, eli veteen tai gelatiiniin, tapahtuu kohdassa \(f_2\).Samanlainen käyttäytyminen havaittiin aiemmassa tutkimuksessa31, jossa käytettiin yksinkertaisempaa laitekonfiguraatiota taajuusalueella 41-43 kHz, jossa kirjoittajat osoittivat jännitteen heijastuskertoimen riippuvuuden upotusväliaineen mekaanisesta moduulista.Läpäisysyvyys32 ja kudoksen mekaaniset ominaisuudet aiheuttavat mekaanisen kuormituksen neulalle, ja siksi niiden odotetaan vaikuttavan UZEFNABin resonanssikäyttäytymiseen.Siten resonanssiseuranta-algoritmeja (esim. 17, 18, 33) voidaan käyttää optimoimaan neulan kautta syötetty akustinen teho.
Simulaatio taivutusaallonpituuksilla (kuva 7) osoittaa, että akselisymmetrinen kärki on rakenteellisesti jäykempi (eli jäykempi taivutuksessa) kuin lansetti ja epäsymmetrinen viiste.Perustuen (1) ja käyttämällä tunnettua nopeus-taajuus-suhdetta, arvioimme taivutusjäykkyyden neulan kärjessä \(\noin\) 200, 20 ja 1500 MPa vastaavasti lansetti-, epäsymmetrisillä ja aksiaalisilla kaltevilla tasoilla.Tämä vastaa \(\lambda_y\) \(\noin\) 5,3, 1,7 ja 14,2 mm taajuudella 29,75 kHz (kuvat 7a–c).Kun otetaan huomioon kliininen turvallisuus USeFNAB:n aikana, geometrian vaikutus kaltevan tason rakenteelliseen jäykkyyteen tulee arvioida34.
Viisteparametrien tutkimus suhteessa putken pituuteen (kuva 9) osoitti, että optimaalinen lähetysalue oli suurempi epäsymmetrisellä viisteellä (1,8 mm) kuin akselisymmetrisellä viisteellä (1,3 mm).Lisäksi liikkuvuus on vakaa \(\noin) 4 - 4,5 mm ja 6 - 7 mm epäsymmetrisillä ja akselisymmetrisillä kallistuksilla (kuvat 9a, b).Tämän löydön käytännön merkitys ilmaistaan valmistustoleransseina, esimerkiksi optimaalisen TL:n pienempi alue voi tarkoittaa, että tarvitaan suurempaa pituustarkkuutta.Samaan aikaan liikkuvuustasanne tarjoaa suuremman toleranssin valita laskun pituus tietyllä taajuudella ilman merkittävää vaikutusta liikkuvuuteen.
Tutkimus sisältää seuraavat rajoitukset.Neulan taipuman suora mittaus reunantunnistuksen ja nopean kuvantamisen avulla (kuva 12) tarkoittaa, että olemme rajoittuneet optisesti läpinäkyviin materiaaleihin, kuten ilmaan ja veteen.Haluamme myös huomauttaa, että emme käyttäneet kokeita simuloidun siirron liikkuvuuden testaamiseen ja päinvastoin, vaan käytimme FEM-tutkimuksia määrittääksemme optimaalisen pituuden neulan valmistukseen.Käytännön rajoitusten osalta lansetin pituus kärjestä hihaan on \(\noin) 0,4 cm pidempi kuin muut neulat (AX1-3), katso kuva.3b.Tämä voi vaikuttaa neulan suunnittelun modaalivasteeseen.Lisäksi juotteen muoto ja tilavuus aaltoputkinastan päässä (katso kuva 3) voivat vaikuttaa tapin suunnittelun mekaaniseen impedanssiin, mikä aiheuttaa virheitä mekaanisessa impedanssissa ja taivutuskäyttäytymisessä.
Lopuksi olemme osoittaneet, että kokeellinen viistegeometria vaikuttaa taipuman määrään USeFNAB:ssa.Jos suuremmalla taipumalla olisi positiivinen vaikutus neulan vaikutukseen kudokseen, kuten leikkaustehokkuuteen lävistyksen jälkeen, voidaan USeFNAB:ssa suositella tavanomaista lansettia, koska se antaa maksimaalisen taipuman säilyttäen samalla rakenteellisen kärjen riittävän jäykkyyden..Lisäksi tuore tutkimus35 on osoittanut, että suurempi kärjen taipuma voi lisätä biologisia vaikutuksia, kuten kavitaatiota, mikä voi helpottaa minimaalisesti invasiivisten kirurgisten sovellusten kehittämistä.Koska akustisen kokonaistehon on osoitettu lisäävän USeFNAB13:n biopsioiden määrää, tarvitaan lisää kvantitatiivisia tutkimuksia näytteen määrästä ja laadusta, jotta voidaan arvioida tutkitun neulan geometrian yksityiskohtaiset kliiniset hyödyt.
Postitusaika: 06.01.2023