Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Наскоро беше демонстрирано, че използването на ултразвук може да подобри добива на тъкани при усилена с ултразвук тънкоиглена аспирационна биопсия (USeFNAB) в сравнение с конвенционалната тънкоиглена аспирационна биопсия (FNAB).Връзката между геометрията на скосяването и действието на върха на иглата все още не е проучена.В това проучване ние изследвахме свойствата на резонанса на иглата и амплитудата на отклонение за различни геометрии на скосяване на иглата с различни дължини на скосяване.Използвайки конвенционален ланцет с 3,9 mm рязане, факторът на мощността на отклонение на върха (DPR) беше съответно 220 и 105 µm/W във въздух и вода.Това е по-високо от осесиметричния 4 mm скосен връх, който постигна DPR от 180 и 80 µm/W съответно във въздух и вода.Това проучване подчертава важността на връзката между твърдостта на огъване на геометрията на скосяването в контекста на различни помощни средства за вмъкване и по този начин може да даде представа за методите за контролиране на действието на рязане след пробиване чрез промяна на геометрията на скосяването на иглата, което е важно за USeFNAB.Приложението има значение.
Тънкоиглената аспирационна биопсия (FNAB) е техника, при която се използва игла за получаване на проба от тъкан, когато има съмнение за аномалия1,2,3.Доказано е, че накрайници тип Franseen осигуряват по-висока диагностична производителност от традиционните накрайници Lancet4 и Menghini5.Осесиметрични (т.е. периферни) скосявания също са предложени за увеличаване на вероятността от адекватна проба за хистопатология6.
По време на биопсия иглата преминава през слоеве кожа и тъкан, за да се разкрие подозрителна патология.Последните проучвания показват, че ултразвуковото активиране може да намали силата на пробиване, необходима за достъп до меките тъкани7,8,9,10.Доказано е, че геометрията на скосяването на иглата влияе върху силите на взаимодействие на иглата, например по-дългите скосове имат по-ниски сили на проникване в тъканите 11 .Предполага се, че след като иглата е проникнала в повърхността на тъканта, т.е. след пункцията, силата на срязване на иглата може да бъде 75% от общата сила на взаимодействие игла-тъкан12.Доказано е, че ултразвукът (УЗИ) подобрява качеството на диагностичната биопсия на меките тъкани в следпункционната фаза13.Разработени са други методи за подобряване на костната биопсия за вземане на проби от твърди тъкани14,15, но не са докладвани резултати, които да подобряват качеството на биопсията.Няколко проучвания са установили също, че механичното изместване се увеличава с увеличаване на напрежението на ултразвуковото задвижване16,17,18.Въпреки че има много изследвания на аксиални (надлъжни) статични сили във взаимодействията игла-тъкан 19, 20, проучванията върху времевата динамика и геометрията на скосяването на иглата в ултразвуково подобрен FNAB (USeFNAB) са ограничени.
Целта на това проучване беше да се изследва ефектът от различни геометрии на скосяване върху действието на върха на иглата, задвижвано от огъване на иглата при ултразвукови честоти.По-специално, ние изследвахме ефекта на инжекционната среда върху отклонението на върха на иглата след пункция за конвенционални скосени игли (напр. ланцети), осесиметрични и асиметрични единични скосени геометрии (фиг. за улесняване на разработването на игли USeFNAB за различни цели, като селективно засмукване достъп или мекотъканни ядра.
В това изследване бяха включени различни геометрии на скосяване.(a) Ланцети, съответстващи на ISO 7864:201636, където \(\alpha\) е основният ъгъл на скосяване, \(\theta\) е вторичният ъгъл на въртене на скосяването и \(\phi\) е вторичният ъгъл на въртене на скосяването в градуси , в градуси (\(^\circ\)).(b) линейни асиметрични едностъпални фаски (наречени „стандартни“ в DIN 13097:201937) и (c) линейни осесиметрични (периферентни) едностъпални фаски.
Нашият подход е първо да моделираме промяната в дължината на вълната на огъване по протежение на наклона за конвенционални ланцетни, осесиметрични и асиметрични едностепенни геометрии на наклона.След това изчислихме параметрично изследване, за да изследваме ефекта от ъгъла на скосяване и дължината на тръбата върху мобилността на транспортния механизъм.Това се прави, за да се определи оптималната дължина за направата на прототип на игла.Въз основа на симулацията бяха направени прототипи на игли и тяхното резонансно поведение във въздух, вода и 10% (w/v) балистичен желатин беше експериментално характеризирано чрез измерване на коефициента на отражение на напрежението и изчисляване на ефективността на пренос на мощност, от която работната честота беше определен..И накрая, високоскоростното изобразяване се използва за директно измерване на отклонението на огъващата вълна на върха на иглата във въздух и вода и за оценка на електрическата мощност, предавана от всеки наклон, и геометрията на фактора на мощността на отклонение (DPR) на инжектирания среден.
Както е показано на Фигура 2а, използвайте тръба № 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm дебелина на стената на тръбата, стандартна стена, както е посочено в ISO 9626:201621), изработена от неръждаема стомана 316 (модул на Young 205).\(\текст {GN/m}^{2}\), плътност 8070 kg/m\(^{3}\), коефициент на Поасон 0,275).
Определяне на дължината на вълната на огъване и настройка на модела на крайните елементи (FEM) на иглата и граничните условия.а) Определяне на дължината на скосяването (BL) и дължината на тръбата (TL).(b) Триизмерен (3D) модел с крайни елементи (FEM), използващ хармонична точкова сила \(\tilde{F}_y\vec{j}\) за възбуждане на иглата в проксималния край, отклоняване на точката и измерване на скоростта на върха (\(\tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)), за да се изчисли механистичната транспортна мобилност.\(\lambda _y\) се определя като дължината на вълната на огъване, свързана с вертикалната сила \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Определете центъра на тежестта, площта на напречното сечение A и инерционните моменти \(I_{xx}\) и \(I_{yy}\) съответно около оста x и оста y.
Както е показано на фиг.2b,c, за безкраен (безкраен) лъч с площ на напречното сечение A и при голяма дължина на вълната в сравнение с размера на напречното сечение на лъча, фазовата скорост на огъване (или огъване) \(c_{EI}\ ) се определя като 22:
където E е модулът на Йънг (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) е ъгловата честота на възбуждане (rad/s), където \( f_0 \ ) е линейната честота (1/s или Hz), I е инерционният момент на зоната около интересуващата ни ос \((\text {m}^{4})\) и \(m'=\ rho _0 A \) е масата върху единица дължина (kg/m), където \(\rho _0\) е плътността \((\text {kg/m}^{3})\) и A е кръстът - площ на сечението на гредата (равнина xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Тъй като в нашия случай приложената сила е успоредна на вертикалната ос y, т.е. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), ние се интересуваме само от инерционния момент на областта около хоризонталната x- ос, т.е. \(I_{xx} \), така че:
За модела на крайните елементи (FEM) се приема чисто хармонично изместване (m), така че ускорението (\(\text {m/s}^{2}\)) се изразява като \(\partial ^2 \vec {u}/ \ частично t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), напр. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) е триизмерен вектор на изместване, дефиниран в пространствени координати.Замяната на последната с крайно деформируемата форма на Лагранж на закона за баланса на импулса23, в съответствие с нейната реализация в софтуерния пакет COMSOL Multiphysics (версии 5.4-5.5, COMSOL Inc., Масачузетс, САЩ), дава:
Където \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) е операторът на тензорна дивергенция, а \({\underline{\sigma}}\) е вторият тензор на напрежението на Пиола-Кирхоф (втори ред, \(\ текст { N /m}^{2}\)) и \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) е векторът на телесната сила (\(\text {N/m}^{3}\)) на всеки деформируем обем, а \(e^{j\phi }\) е фазата на телесна сила, има фазов ъгъл \(\ phi\) (rad).В нашия случай обемната сила на тялото е нула и нашият модел приема геометрична линейност и малки чисто еластични деформации, т.е. \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), където \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) и \({\underline{ \varepsilon}}\) – съответно еластична деформация и пълна деформация (безразмерна от втори ред).Конститутивният изотропен тензор на еластичност на Хук \(\underline {\underline {C))\) се получава с помощта на модула на Йънг E(\(\text{N/m}^{2}\)) и коефициентът на Поасон v е дефиниран, така че \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (четвърти ред).Така изчислението на напрежението става \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Изчисленията бяха извършени с 10-възлови тетраедрични елементи с размер на елемента \(\le\) 8 μm.Иглата се моделира във вакуум и стойността на трансфер на механична подвижност (ms-1 H-1) се определя като \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, където \(\tilde{v}_y\vec {j}\) е изходната комплексна скорост на накрайника и \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) е сложна движеща сила, разположена в проксималния край на тръбата, както е показано на фиг. 2b.Предавателната механична подвижност се изразява в децибели (dB), като се използва максималната стойност като референтна стойност, т.е. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Всички FEM изследвания са проведени при честота от 29,75 kHz.
Конструкцията на иглата (фиг. 3) се състои от конвенционална хиподермична игла 21 калибър (каталожен номер: 4665643, Sterican\(^\circledR\), с външен диаметър 0,8 mm, дължина 120 mm, изработена от AISI хром-никелова неръждаема стомана 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Германия) постави пластмасова втулка Luer Lock, изработена от полипропилен проксимално със съответната модификация на върха.Тръбата на иглата е запоена към вълновода, както е показано на фиг. 3b.Вълноводът беше отпечатан на 3D принтер от неръждаема стомана (EOS Stainless Steel 316L на 3D принтер EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Финландия) и след това прикрепен към сензора Langevin с помощта на болтове M4.Преобразувателят Langevin се състои от 8 пиезоелектрични пръстеновидни елемента с две тежести във всеки край.
Четирите вида накрайници (на снимката), предлаган в търговската мрежа ланцет (L) и три произведени осесиметрични едностепенни скосявания (AX1–3) се характеризират с дължини на скосяването (BL) съответно 4, 1,2 и 0,5 mm.(a) Едър план на готовия връх на иглата.(b) Изглед отгоре на четири щифта, запоени към 3D отпечатан вълновод и след това свързани към сензора Langevin с болтове M4.
Три осесиметрични скосени върха (фиг. 3) (TAs Machine Tools Oy) са произведени с дължини на скосяването (BL, определени на фиг. 2a) от 4,0, 1,2 и 0,5 mm, съответстващи на \(\приблизително\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) и 18\(^\circ\).Теглото на вълновода и писеца е 3,4 ± 0,017 g (средно ± SD, n = 4) съответно за фаска L и AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Гьотинген, Германия).Общата дължина от върха на иглата до края на пластмасовата втулка е 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm съответно за фаската L и AX1-3 на фигура 3b.
За всички конфигурации на иглата дължината от върха на иглата до върха на вълновода (т.е. зоната на запояване) е 4,3 cm, а тръбата на иглата е ориентирана така, че скосяването да е обърнато нагоре (т.е. успоредно на оста Y ).), както на (фиг. 2).
Персонализиран скрипт в MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Масачузетс, САЩ), работещ на компютър (Latitude 7490, Dell Inc., Тексас, САЩ), беше използван за генериране на линеен синусоидален размах от 25 до 35 kHz за 7 секунди, преобразуван в аналогов сигнал от цифрово-аналогов (DA) преобразувател (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Вашингтон, САЩ).След това аналоговият сигнал \(V_0\) (0,5 Vp-p) беше усилен със специален радиочестотен (RF) усилвател (Mariachi Oy, Турку, Финландия).Падащото усилващо напрежение \({V_I}\) се извежда от радиочестотния усилвател с изходен импеданс от 50 \(\Omega\) към трансформатор, вграден в структурата на иглата с входен импеданс от 50 \(\Omega)\) Преобразувател на Langevin (предни и задни многослойни пиезоелектрични преобразуватели, натоварени с маса) се използват за генериране на механични вълни.Персонализираният RF усилвател е оборудван с двуканален измервател на фактора на мощността на стояща вълна (SWR), който може да открие инцидент \({V_I}\) и отразено усилено напрежение \(V_R\) чрез 300 kHz аналогово-цифрово (AD ) конвертор (Analog Discovery 2).Възбуждащият сигнал е амплитудно модулиран в началото и в края, за да се предотврати претоварване на входа на усилвателя с преходни процеси.
С помощта на персонализиран скрипт, реализиран в MATLAB, функцията за честотна характеристика (AFC), т.е. предполага линейна стационарна система.Освен това приложете лентов филтър от 20 до 40 kHz, за да премахнете всички нежелани честоти от сигнала.Позовавайки се на теорията на преносната линия, \(\tilde{H}(f)\) в този случай е еквивалентен на коефициента на отражение на напрежението, т.е. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Тъй като изходният импеданс на усилвателя \(Z_0\) съответства на входния импеданс на вградения трансформатор на преобразувателя, а коефициентът на отражение на електрическата мощност \({P_R}/{P_I}\) се намалява до \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), тогава е \(|\rho _{V}|^2\).В случай, че се изисква абсолютната стойност на електрическата мощност, изчислете инцидентната \(P_I\) и отразената\(P_R\) мощност (W), като вземете средната квадратична (rms) стойност на съответното напрежение, например, за предавателна линия със синусоидално възбуждане, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, където \(Z_0\) е равно на 50 \(\Omega\).Електрическата мощност, доставена на товара \(P_T\) (т.е. вмъкнатата среда) може да се изчисли като \(|P_I – P_R |\) (W RMS) и ефективността на пренос на мощност (PTE) може да се дефинира и изрази като процент (%) дава 27:
След това честотната характеристика се използва за оценка на модалните честоти \(f_{1-3}\) (kHz) на дизайна на стилуса и съответната ефективност на пренос на мощност, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) се изчислява директно от \(\text {PTE}_{1{-}3}\), от таблица 1 честоти \(f_{1-3}\), описани в .
Метод за измерване на честотната характеристика (AFC) на игловидна структура.Двуканално измерване на синусоида с преместване25,38 се използва за получаване на функцията на честотната характеристика \(\tilde{H}(f)\) и нейната импулсна характеристика H(t).\({\mathcal {F}}\) и \({\mathcal {F}}^{-1}\) означават съответно численото съкратено преобразуване на Фурие и операцията за обратно преобразуване.\(\tilde{G}(f)\) означава, че двата сигнала са умножени в честотната област, напр. \(\tilde{G}_{XrX}\) означава обратно сканиране\(\tilde{X} r( f )\) и сигнал за спад на напрежението \(\tilde{X}(f)\).
Както е показано на фиг.5, високоскоростна камера (Phantom V1612, Vision Research Inc., Ню Джърси, САЩ), оборудвана с макро обектив (MP-E 65 mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc , Токио, Япония) бяха използвани за записване на отклонението на върха на иглата, подложено на огъващо възбуждане (едночестотна, непрекъсната синусоида) при честота 27, 5–30 kHz.За да се създаде карта на сенките, охладен елемент от бял светодиод с висок интензитет (номер на част: 4052899910881, бял светодиод, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Регенсбург, Германия) беше поставен зад скосяването на иглата.
Изглед отпред на експерименталната постановка.Дълбочината се измерва от повърхността на носителя.Структурата на иглата е захваната и монтирана върху моторизирана трансферна маса.Използвайте високоскоростна камера с обектив с голямо увеличение (5\(\пъти\)), за да измерите отклонението на скосения връх.Всички размери са в милиметри.
За всеки тип скосяване на иглата записахме 300 кадъра на високоскоростна камера от 128 \(\x\) 128 пиксела, всеки с пространствена разделителна способност 1/180 mm (\(\приблизително) 5 µm), с времева разделителна способност от 310 000 кадъра в секунда.Както е показано на фигура 6, всеки кадър (1) се изрязва (2), така че върхът да е в последния ред (отдолу) на кадъра, след което се изчислява хистограмата на изображението (3), така че Canny праговете 1 и 2 може да се определи.След това приложете Canny28(4) откриване на ръбове с помощта на оператора Sobel 3 \(\times\) 3 и изчислете позицията на пиксела на некавитационната хипотенуза (означена с \(\mathbf {\times }\)) за всички 300-кратни стъпки .За да се определи обхватът на отклонението в края, производната се изчислява (като се използва алгоритъмът за централна разлика) (6) и се идентифицира рамката, съдържаща локалните екстремуми (т.е. пик) на отклонението (7).След визуална проверка на некавитиращия ръб, бяха избрани двойка рамки (или две рамки, разделени от половин период от време) (7) и измерено отклонение на върха (означено \(\mathbf {\times} \ ) Горното беше приложено в Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) с помощта на алгоритъма за откриване на ръбове OpenCV Canny (v4.5.1, библиотека с компютърно зрение с отворен код, opencv.org).електрическа мощност \ (P_T \) (W, rms) .
Деформацията на върха беше измерена с помощта на поредица от кадри, взети от високоскоростна камера при 310 kHz, използвайки 7-стъпков алгоритъм (1-7), включително рамкиране (1-2), откриване на Canny edge (3-4), ръб на местоположението на пиксела изчисление (5) и техните времеви производни (6), и накрая отклонението на върха от връх до връх бяха измерени на визуално проверени двойки рамки (7).
Измерванията бяха направени във въздух (22,4-22,9°C), дейонизирана вода (20,8-21,5°C) и балистичен желатин 10% (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text {TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Говежди и свински костен желатин за балистичен анализ тип I, Honeywell International, Северна Каролина, САЩ).Температурата беше измерена с усилвател с термодвойка K-тип (AD595, Analog Devices Inc., Масачузетс, САЩ) и термодвойка тип K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 тип-K, Fluke Corporation, Вашингтон, САЩ).От средата Дълбочината беше измерена от повърхността (зададена като начало на z-ос) с помощта на вертикален моторизиран етап z-ос (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Вилнюс, Литва) с разделителна способност от 5 µm.на стъпка.
Тъй като размерът на извадката беше малък (n = 5) и не можеше да се приеме нормалност, беше използван двустранен сумарен ранг тест на Wilcoxon с две проби (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). за да сравните количеството отклонение на върха на иглата за различни скосове.Имаше 3 сравнения на наклон, така че беше приложена корекция на Bonferroni с коригирано ниво на значимост от 0,017 и процент на грешка от 5%.
Нека сега се обърнем към фиг.7.При честота от 29,75 kHz полувълната на огъване (\(\lambda_y/2\)) на стрелка с калибър 21 е \(\приблизително) 8 mm.Когато човек се приближи до върха, дължината на вълната на огъване намалява по наклонения ъгъл.На върха \(\lambda _y/2\) \(\приблизително\) има стъпки от 3, 1 и 7 mm за обичайния ланцетен (a), асиметричен (b) и осесиметричен (c) наклон на единична игла , съответно.Така това означава, че обхватът на ланцета е \(\приблизително) 5 mm (поради факта, че двете равнини на ланцета образуват една точка29,30), асиметричният скос е 7 mm, асиметричният скос е 1 мм.Осесиметрични наклони (центърът на тежестта остава постоянен, така че само дебелината на стената на тръбата всъщност се променя по наклона).
FEM изследвания и прилагане на уравнения при честота 29.75 kHz.(1) При изчисляване на вариацията на полувълната на огъване (\(\lambda_y/2\)) за ланцетна (a), асиметрична (b) и осесиметрична (c) геометрия на скосяване (както на фиг. 1a,b,c ) .Средната стойност \(\lambda_y/2\) на ланцетните, асиметричните и осесиметричните скосявания беше съответно 5,65, 5,17 и 7,52 mm.Имайте предвид, че дебелината на върха за асиметрични и осесиметрични скосявания е ограничена до \(\приблизително) 50 µm.
Пиковата подвижност \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) е оптималната комбинация от дължина на тръбата (TL) и дължина на скосяването (BL) (фиг. 8, 9).За конвенционален ланцет, тъй като неговият размер е фиксиран, оптималният TL е \(\приблизително) 29,1 mm (фиг. 8).За асиметрични и осесиметрични скосявания (фиг. 9a, b, съответно), FEM изследванията включват BL от 1 до 7 mm, така че оптималните TL са от 26,9 до 28,7 mm (диапазон 1,8 mm) и от 27,9 до 29,2 mm (диапазон 1,3 мм), съответно.За асиметричния наклон (фиг. 9а), оптималният TL се увеличава линейно, достига плато при BL 4 mm и след това рязко намалява от BL 5 до 7 mm.За осесиметричен скос (фиг. 9b), оптималният TL нараства линейно с увеличаване на BL и накрая се стабилизира при BL от 6 до 7 mm.Едно разширено изследване на осесиметричния наклон (фиг. 9c) разкри различен набор от оптимални TL при \(\приблизително) 35,1–37,1 mm.За всички BL разстоянието между двата най-добри TL е \(\приблизително\) 8 mm (еквивалентно на \(\lambda_y/2\)).
Мобилност на предаване на ланцет при 29,75 kHz.Иглата се възбужда гъвкаво при честота от 29,75 kHz и вибрациите се измерват на върха на иглата и се изразяват като количеството на предаваната механична подвижност (dB спрямо максималната стойност) за TL 26,5-29,5 mm (на стъпки от 0,1 mm) .
Параметричните изследвания на FEM при честота от 29,75 kHz показват, че подвижността на прехвърляне на осесиметричен връх е по-малко засегната от промяна в дължината на тръбата, отколкото неговия асиметричен аналог.Изследвания на дължина на скосяване (BL) и дължина на тръба (TL) на асиметрични (a) и осесиметрични (b, c) геометрии на скосяване в изследване на честотната област с помощта на FEM (граничните условия са показани на Фиг. 2).( a , b ) TL варира от 26, 5 до 29, 5 mm (стъпка 0, 1 mm) и BL 1–7 mm (стъпка 0, 5 mm).(c) Разширени осесиметрични изследвания на наклона, включително TL 25–40 mm (на стъпки от 0,05 mm) и BL 0,1–7 mm (на стъпки от 0,1 mm), показващи, че \(\lambda_y/2\ ) трябва да отговаря на изискванията на върха.подвижни гранични условия.
Конфигурацията на иглата има три собствени честоти \(f_{1-3}\), разделени на области с нисък, среден и висок режим, както е показано в таблица 1. Размерът на PTE беше записан, както е показано на фиг.10 и след това анализирани на фиг. 11. По-долу са констатациите за всяка модална област:
Типични записани амплитуди на моментна ефективност на пренос на мощност (PTE), получени със синусоидално възбуждане със завъртаща се честота за ланцет (L) и осесиметричен скос AX1-3 във въздух, вода и желатин на дълбочина 20 mm.Показани са едностранни спектри.Измерената честотна характеристика (извадена при 300 kHz) беше нискочестотна филтрирана и след това намалена с коефициент 200 за модален анализ.Съотношението сигнал/шум е \(\le\) 45 dB.PTE фазите (лилави пунктирани линии) са показани в градуси (\(^{\circ}\)).
Анализът на модалния отговор (средно ± стандартно отклонение, n = 5), показан на Фиг. 10, за наклони L и AX1-3, във въздух, вода и 10% желатин (дълбочина 20 mm), с (отгоре) три модални области ( ниска, средна и висока) и съответните им модални честоти\(f_{1-3 }\) (kHz), (средна) енергийна ефективност \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Изчислени с помощта на еквиваленти .(4) и (отдолу) пълна ширина при половин максимални измервания \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), съответно.Имайте предвид, че измерването на честотната лента е пропуснато, когато е регистриран нисък PTE, т.е. \(\text {FWHM}_{1}\) в случай на наклон AX2.Установено е, че режимът \(f_2\) е най-подходящият за сравняване на отклоненията на наклона, тъй като показва най-високото ниво на ефективност на пренос на мощност (\(\text {PTE}_{2}\)), до 99%.
Първа модална област: \(f_1\) не зависи много от вида на вмъкнатия носител, но зависи от геометрията на наклона.\(f_1\) намалява с намаляване на дължината на скосяването (съответно 27,1, 26,2 и 25,9 kHz във въздуха за AX1-3).Регионалните средни стойности \(\text {PTE}_{1}\) и \(\text {FWHM}_{1}\) са \(\приблизително\) съответно 81% и 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) има най-високото съдържание на желатин в Lancet (L, 473 Hz).Обърнете внимание, че \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 в желатин не може да бъде оценен поради ниската записана амплитуда на FRF.
Вторият модален регион: \(f_2\) зависи от типа на вмъкнатия носител и фаската.Средните стойности \(f_2\) са съответно 29,1, 27,9 и 28,5 kHz във въздух, вода и желатин.Този модален регион също показа висок PTE от 99%, най-високият от всяка измерена група, със средна регионална стойност от 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) има средна регионална честота от \(\приблизително\) 910 Hz.
Област на третия режим: честотата \(f_3\) зависи от типа на носителя и фаската.Средните стойности на \(f_3\) са съответно 32.0, 31.0 и 31.3 kHz във въздух, вода и желатин.Средната стойност за \(\text {PTE}_{3}\) за региона беше \(\приблизително\) 74%, най-ниската от всеки регион.Средната регионална стойност \(\text {FWHM}_{3}\) е \(\приблизително\) 1085 Hz, което е по-високо от първия и втория регион.
Следното се отнася до фиг.12 и Таблица 2. Ланцетът (L) се отклонява най-много (с висока значимост за всички върхове, \(p<\) 0,017) както във въздух, така и във вода (Фиг. 12a), постигайки най-висок DPR (до 220 µm/ W във въздуха). 12 и Таблица 2. Ланцетът (L) се отклонява най-много (с висока значимост за всички върхове, \(p<\) 0,017) както във въздух, така и във вода (Фиг. 12a), постигайки най-висок DPR (до 220 µm/ W във въздуха). Следващото се отнася за рисунка 12 и таблица 2. Ланцетът (L) се отклони повече от всичко (с висока значимост за всички наконечници, \(p<\) 0,017) във въздуха, така и във водата (рис. 12а), достигайки най-високото DPR . Следното се отнася за Фигура 12 и Таблица 2. Ланцетът (L) се отклонява най-много (с висока значимост за всички върхове, \(p<\) 0,017) както във въздух, така и във вода (Фиг. 12а), постигайки най-висок DPR.(до 220 μm/W във въздуха).смт.Фигура 12 и таблица 2 по-долу.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，\(p<\) 0,017）（图12a），实现最高DPR （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) има най-голямото отклонение във въздух и вода (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) и постига най-висок DPR (до 220 µm/W в въздух). Ланцет (L) се отклони повече от всичко (висока значимост за всички наконечници, \(p<\) 0,017) във въздуха и водата (рис. 12а), достигайки най-голямото DPR (до 220 мкм/Вт във въздуха). Lancet (L) се отклони най-много (висока значимост за всички върхове, \(p<\) 0,017) във въздух и вода (фиг. 12a), достигайки най-високата DPR (до 220 µm/W във въздуха). Във въздуха AX1, който има по-висок BL, се отклонява по-високо от AX2–3 (със значимост \(p<\) 0,017), докато AX3 (който има най-нисък BL) се отклонява повече от AX2 с DPR от 190 µm/W. Във въздуха AX1, който има по-висок BL, се отклонява по-високо от AX2–3 (със значимост \(p<\) 0,017), докато AX3 (който има най-нисък BL) се отклонява повече от AX2 с DPR от 190 µm/W. Във въздуха AX1 с по-висок BL се отклони по-високо, отколкото AX2–3 (със значимост \(p<\) 0,017), тогава като AX3 (с най-нисък BL) се отклони повече, отколкото AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Във въздуха AX1 с по-висок BL се отклони по-високо от AX2–3 (със значимост \(p<\) 0,017), докато AX3 (с най-нисък BL) се отклони повече от AX2 с DPR 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，\(p<\) 0,017，，而AX3（具有最低BL）的偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W 。 Във въздуха отклонението на AX1 с по-висок BL е по-високо от това на AX2-3 (значително \(p<\) 0,017), а отклонението на AX3 (с най-нисък BL) е по-голямо от това на AX2, DPR е 190 µm/W. Във въздуха AX1 с по-висок BL се отклонява повече, отколкото AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогава като AX3 (с най-нисък BL) се отклонява повече, отколкото AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Във въздуха AX1 с по-висок BL отклонява повече от AX2-3 (значително, \(p<\) 0,017), докато AX3 (с най-нисък BL) отклонява повече от AX2 с DPR 190 µm/W.При 20 mm вода, деформацията и PTE AX1–3 не се различават значително (\(p>\) 0,017).Нивата на PTE във вода (90,2–98,4%) като цяло са по-високи, отколкото във въздуха (56–77,5%) (фиг. 12c), а феноменът на кавитация е отбелязан по време на експеримента във вода (фиг. 13, вижте също допълнителни информация).
Степента на отклонение на върха (средно ± SD, n = 5), измерена за скосяване L и AX1-3 във въздух и вода (дълбочина 20 mm), показва ефекта от промяната на геометрията на скосяването.Измерванията са получени с помощта на непрекъснато едночестотно синусоидално възбуждане.(a) Отклонение от пик до пик (\(u_y\vec {j}\)) на върха, измерено при (b) съответните им модални честоти \(f_2\).(c) Ефективност на пренос на мощност (PTE, RMS, %) от уравнението.(4) и (d) Коефициент на мощност на отклонение (DPR, µm/W), изчислен като отклонение от пик до пик и предавана електрическа мощност \(P_T\) (Wrms).
Типична диаграма на сенки за високоскоростна камера, показваща отклонението от връх до връх (зелени и червени пунктирани линии) на ланцет (L) и осесиметричен връх (AX1–3) във вода (дълбочина 20 mm) за половин цикъл.цикъл, при честота на възбуждане \(f_2\) (честота на дискретизация 310 kHz).Заснетото изображение в нива на сивото е с размер 128×128 пиксела и размер на пиксела \(\приблизително\) 5 µm.Видео можете да намерите в допълнителна информация.
По този начин ние моделирахме промяната в дължината на вълната на огъване (фиг. 7) и изчислихме преносимата механична подвижност за комбинации от дължина на тръбата и фаска (фиг. 8, 9) за конвенционални ланцетни, асиметрични и осесиметрични фаски на геометрични форми.Въз основа на последното, ние оценихме оптималното разстояние от 43 mm (или \(\приблизително) 2,75\(\lambda _y\) при 29,75 kHz) от върха до заваръчния шев, както е показано на фиг. 5, и направихме три осесиметрични фаски с различна дължина на фаската.След това характеризирахме честотното им поведение във въздух, вода и 10% (w/v) балистичен желатин в сравнение с конвенционалните ланцети (Фигури 10, 11) и определихме режима, който е най-подходящ за сравнение на отклонението на скосяването.Накрая измерихме отклонението на върха чрез огъваща вълна във въздух и вода на дълбочина 20 mm и количествено определихме ефективността на пренос на мощност (PTE, %) и фактора на мощността на отклонение (DPR, µm/W) на средата за вмъкване за всеки скос.ъглов тип (фиг. 12).
Доказано е, че геометрията на скосяването на иглата влияе на степента на отклонение на върха на иглата.Ланцетът постигна най-голямото отклонение и най-високото DPR в сравнение с осесиметричния скос с по-ниска средна деформация (фиг. 12).Осесиметричният скос от 4 mm (AX1) с най-дългия скос постигна статистически значимо максимално отклонение във въздуха в сравнение с другите осесиметрични игли (AX2–3) (\(p <0,017\), Таблица 2), но няма значима разлика .наблюдава се, когато иглата се постави във вода.По този начин няма очевидно предимство да имате по-голяма дължина на скосяване по отношение на пикова деформация на върха.Като се има предвид това, изглежда, че геометрията на фаската, изследвана в това изследване, има по-голям ефект върху деформацията, отколкото дължината на фаската.Това може да се дължи на твърдостта на огъване, например в зависимост от общата дебелина на материала, който се огъва, и дизайна на иглата.
При експериментални изследвания големината на отразената огъваща вълна се влияе от граничните условия на върха.Когато върхът на иглата се вкара във вода и желатин, \(\text {PTE}_{2}\) е \(\приблизително\) 95%, а \(\text {PTE}_{ 2}\) е \ (\text {PTE}_{ 2}\) стойностите са 73% и 77% за (\text {PTE}_{1}\) и \(\text {PTE}_{3}\), съответно (фиг. 11).Това показва, че максималният трансфер на акустична енергия към средата за леене, т.е. вода или желатин, се случва при \(f_2\).Подобно поведение беше наблюдавано в предишно проучване31, използвайки по-проста конфигурация на устройството в честотния диапазон 41-43 kHz, в който авторите показаха зависимостта на коефициента на отражение на напрежението от механичния модул на вградената среда.Дълбочината на проникване32 и механичните свойства на тъканта осигуряват механично натоварване върху иглата и следователно се очаква да повлияят на резонансното поведение на UZEFNAB.По този начин алгоритмите за проследяване на резонанса (например 17, 18, 33) могат да се използват за оптимизиране на акустичната мощност, доставяна през иглата.
Симулацията при дължини на вълната на огъване (фиг. 7) показва, че осесиметричният връх е структурно по-твърд (т.е. по-твърд при огъване) от ланцетния и асиметричния скос.Въз основа на (1) и използвайки известната връзка скорост-честота, ние оценяваме твърдостта на огъване на върха на иглата като \(\около\) 200, 20 и 1500 MPa съответно за ланцетни, асиметрични и аксиални наклонени равнини.Това съответства на \(\lambda_y\) от \(\приблизително\) 5,3, 1,7 и 14,2 mm, съответно, при 29,75 kHz (фиг. 7a–c).Като се има предвид клиничната безопасност по време на USeFNAB, трябва да се оцени ефектът на геометрията върху структурната твърдост на наклонената равнина34.
Проучване на параметрите на скосяването спрямо дължината на тръбата (фиг. 9) показа, че оптималният диапазон на предаване е по-висок за асиметричния скос (1,8 mm), отколкото за осесиметричния скос (1,3 mm).В допълнение, подвижността е стабилна при (\ приблизително) от 4 до 4, 5 mm и от 6 до 7 mm съответно за асиметрични и осесиметрични наклони (фиг. 9a, b).Практическото значение на това откритие се изразява в производствени толеранси, например по-нисък диапазон на оптимален TL може да означава, че е необходима по-голяма точност на дължината.В същото време платото на мобилността осигурява по-голям толеранс за избор на дължината на спада при дадена честота без значително въздействие върху мобилността.
Проучването включва следните ограничения.Директно измерване на отклонението на иглата с помощта на откриване на ръбове и високоскоростно изобразяване (Фигура 12) означава, че сме ограничени до оптически прозрачни среди като въздух и вода.Бихме искали също така да отбележим, че не използвахме експерименти за тестване на симулираната трансферна мобилност и обратно, но използвахме FEM изследвания, за да определим оптималната дължина за производство на игла.По отношение на практическите ограничения, дължината на ланцета от върха до ръкава е \(\приблизително) 0,4 cm по-дълга от другите игли (AX1-3), вижте фиг.3б.Това може да повлияе на модалния отговор на дизайна на иглата.В допълнение, формата и обемът на спойката в края на вълноводния щифт (вижте Фигура 3) може да повлияе на механичния импеданс на конструкцията на щифта, като внесе грешки в механичния импеданс и поведението при огъване.
И накрая, ние показахме, че експерименталната геометрия на скосяване влияе върху размера на отклонението в USeFNAB.Ако по-голямо отклонение би имало положителен ефект върху ефекта на иглата върху тъканта, като например ефективността на рязане след пробиване, тогава може да се препоръча конвенционален ланцет в USeFNAB, тъй като осигурява максимално отклонение, като същевременно поддържа адекватна твърдост на структурния връх..Освен това, скорошно проучване35 показа, че по-голямото отклонение на върха може да подобри биологичните ефекти като кавитация, което може да улесни разработването на минимално инвазивни хирургични приложения.Като се има предвид, че е доказано, че увеличаването на общата акустична мощност увеличава броя на биопсиите в USeFNAB13, необходими са допълнителни количествени изследвания на количеството и качеството на пробата, за да се оценят подробните клинични ползи от изследваната геометрия на иглата.
Време на публикуване: 6 януари 2023 г