Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, ние ще визуализираме сайта без стилове и JavaScript.
Наскоро беше доказано, че използването на ултразвук увеличава добива на тъкани при аспирация с тънка игла с помощта на ултразвук (USeFNAB) в сравнение с конвенционалната аспирация с тънка игла (FNAB).Към днешна дата връзката между геометрията на скосяването и движението на върха не е напълно 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 3,9 mm скосен ланцет, факторът на мощността на отклонение на върха (DPR) във въздух и вода беше съответно 220 и 105 µm/W.Това е по-високо от осесиметричния 4 mm скосен връх, осигуряващ съответно 180 и 80 µm/W DPR във въздух и вода.Това проучване подчертава важността на връзката между твърдостта на огъване на геометрията на скосяването в контекста на различни средства за вмъкване и следователно 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 приложение USeFNAB е критично.
Тънкоиглената аспирационна биопсия (FNA) е метод за получаване на тъканни проби за подозирана патология1,2,3 с помощта на игла.Доказано е, че накрайникът на Franseen осигурява по-висока диагностична производителност от конвенционалните ланцетни4 и Menghini5 накрайници.Осесиметричните (т.е. периферни) наклони също се предполагат за увеличаване на вероятността от хистопатологично адекватни проби.
По време на биопсия иглата преминава през слоеве кожа и тъкан, за да се получи достъп до подозрителни лезии.Последните проучвания показват, че ултразвукът може да намали силата на проникване, 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 тъканите11.След като иглата е проникнала в повърхността на тъканта, т.е. след пункцията, силата на срязване на иглата може да бъде 75% от силата на взаимодействие на иглата с тъканта12.Доказано е, че в следпункционната фаза ултразвукът (ултразвукът) повишава ефективността на диагностичната биопсия на меките тъкани.Разработени са други техники за костна биопсия с ултразвук за вземане на проби от твърда тъкан, но не са докладвани резултати, които да подобряват добива на биопсия.Многобройни проучвания също потвърдиха, че механичното изместване се увеличава, когато е подложено на ултразвуково натоварване16,17,18.Въпреки че има много изследвания върху аксиалните (надлъжни) статични сили при взаимодействията игла-тъкан 19, 20, има ограничени проучвания върху времевата динамика и геометрията на скосяването на иглата при ултразвукова FNAB (USeFNAB).
Целта на това изследване беше да се изследва ефектът от различни геометрии на скосяване върху движението на върха на иглата в игла, задвижвана от ултразвуково огъване.По-специално, ние изследвахме ефекта на инжекционната среда върху отклонението на върха на иглата след пункция за традиционните скосени игли (т.е. игли USeFNAB за различни цели, като селективна аспирация или придобиване на меки тъкани).
В това изследване бяха включени различни геометрии на скосяване.(a) Спецификацията на Lancet е в съответствие с ISO 7864:201636, където \(\alpha\) е първичната фаска, \(\theta\) е ъгълът на въртене на вторичната фаска и \(\phi\) е вторичната фаска ъгъл., при въртене, в градуси (\(^\circ\)).(b) Линейни асиметрични едностъпални фаски (наречени „стандартни“ в DIN 13097:201937) и (c) Линейни осесиметрични (периферентни) едностъпални фаски.
Нашият подход започва с моделиране на промяната в дължината на вълната на огъване по дължината на скосяването за конвенционални ланцетни, осесиметрични и асиметрични едностепенни геометрии на скосяване.След това изчислихме параметрично изследване, за да изследваме ефекта от наклона и дължината на тръбата върху механичната течливост на трансфера.Това е необходимо, 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 беше експериментално характеризирано чрез измерване на коефициентите на отражение на напрежението и изчисляване на ефективността на пренос на мощност във въздух, вода и 10% (w/v) балистичен желатин, от които беше определена работната честота .И накрая, високоскоростното изобразяване се използва за директно измерване на отклонението на огъващата вълна на върха на иглата във въздух и вода, както и за оценка на електрическата мощност, доставена при всеки наклонен ъгъл, и геометрията на съотношението на мощността на отклонение ( DPR) към инжектираната среда..
Както е показано на фигура 2а, използвайте тръба с калибър 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, дебелина на стената на тръбата 0,155 mm, стандартна стена), за да определите тръбата на иглата с дължина на тръбата (TL) и ъгъл на скосяване (BL) в съответствие с ISO 9626:201621) в неръждаема стомана 316 (модул на Юнг 205 \(\text {GN/m}^{2}\), плътност 8070 kg/m\(^{3}\) и коефициент на Поасон 0,275).
Определяне на дължината на вълната на огъване и настройка на модела на крайните елементи (FEM) за игла и гранични 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 задвижване на иглата проксимално, отклоняване на точката и измерване на скоростта при съвет (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) за изчисляване на преноса на механична течливост.\(\lambda _y\) се определя като дължината на вълната на огъване спрямо вертикалната сила \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Дефиниции на центъра на тежестта, площта на напречното сечение A и инерционните моменти \(I_{xx}\) и \(I_{yy}\) около осите x и y, съответно.
Както е показано на фиг.2b,c, за безкраен (безкраен) лъч с площ на напречното сечение A и при дължина на вълната, по-голяма от размера на напречното сечение на лъча, огъната (или огъната) фазова скорост \( c_{EI }\) се определя от 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\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) е масата върху единица дължина (kg/m), където \(\rho _0\) е плътността\((\text {kg/m}^{3})\) и A е кръстът сечение на зоната на лъча (равнина xy) (\(\ текст {m}^{2}\)).Тъй като силата, приложена в нашия пример, е успоредна на вертикалната ос y, т.е. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), ние се интересуваме само от регионалния инерционен момент около хоризонталната ос x, 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 \(\partial ^2 \vec { u}/ \ частично t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) като \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) е триизмерен вектор на изместване, даден в пространствени координати.Вместо последното, в съответствие с неговата реализация в софтуерния пакет COMSOL Multiphysics (версии 5.4-5.5, COMSOL Inc., Масачузетс, САЩ), лагранжовата форма на крайната деформация на закона за баланса на импулса е дадена, както следва:
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, \({\underline{\sigma}}\) 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 (\(\text {N/m}^{3}\)) за всеки деформиран обем, а \(e^{j\phi }\) е векторът на фазовия ъгъл\(\ phi \ ) (радвам се).В нашия случай обемната сила на тялото е нула, нашият модел приема геометрична линейност и малка чисто еластична деформация, т.е., където \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) и \({\underline {\varepsilon}}\) са съответно еластична деформация и пълна деформация (втори ред, безразмерна).Конститутивният изотропен тензор на еластичност на Хук \(\underline{\underline{C}}\) се изчислява с помощта на модула на Янг E (\(\text {N/m}^{2}\)) и се определя коефициентът на Поасон v, така че т.е. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (четвърти ред).Така изчислението на напрежението става \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Изчислението използва тетраедричен елемент с 10 възела с размер на елемента \(\le\) от 8 µm.Иглата се моделира във вакуум и стойността на прехвърлената механична подвижност (ms-1 N-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 фигура 2b.Преведете механичната течливост в децибели (dB), като използвате 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 с калибър 21 (Кат. № 4665643, Sterican\(^\circledR\), външен диаметър 0,8 mm, дължина 120 mm, AISI 304 неръждаема хром-никел стомана, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Германия), оборудвана с пластмасова втулка Luer Lock, изработена от полипропилен в проксималния край и подходящо модифицирана в края.Тръбата на иглата е запоена към вълновода, както е показано на фиг. 3b.Вълноводите бяха отпечатани на 3D принтер от неръждаема стомана (EOS 316L неръждаема стомана на 3D принтер EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Финландия) и след това прикрепени към сензора Langevin с помощта на болтове M4.Сензорът Langevin се състои от 8 пиезоелектрични пръстеновидни елемента, натоварени в двата края с две маси.
Четирите вида върхове (снимка), наличен 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 отпечатания вълновод и след това свързани към сензора Langevin с болтове M4.
Произведени са три осесиметрични скосени върха (фиг. 3) (TAs Machine Tools Oy) с дължини на скосяването (BL, както е дефинирано на фиг. 2a) от 4,0, 1,2 и 0,5 mm, съответстващи на \(\приблизително) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) и 18\(^\circ\) съответно.Масата на вълновода и иглата е 3,4 ± 0,017 g (средно ± sd, n = 4) съответно за скосявания L и AX1-3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Гьотинген, Германия) .За скосяванията L и AX1-3 на фигура 3b, общата дължина от върха на иглата до края на пластмасовата втулка беше съответно 13,7, 13,3, 13,3 и 13,3 cm.
За всички конфигурации на иглата дължината от върха на иглата до върха на вълновода (т.е. до зоната на заваръчния шев) беше 4,3 cm, а тръбата на иглата беше ориентирана с разреза нагоре (т.е. успоредно на оста Y) , както е показано на фигурата.c (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, преминаване Цифрово-аналогов (DA) преобразувател (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Вашингтон, САЩ) преобразува в аналогов сигнал.След това аналоговият сигнал \(V_0\) (0,5 Vp-p) беше усилен със специален радиочестотен (RF) усилвател (Mariachi Oy, Турку, Финландия).Падащо усилено напрежение \({V_I}\) от RF усилвателя с изходен импеданс от 50 ома се подава към трансформатор, вграден в структурата на иглата с входен импеданс от 50 ома.Преобразувателите на Langevin (предни и задни многослойни пиезоелектрични преобразуватели за тежък режим) се използват за генериране на механични вълни.Персонализираният RF усилвател е оборудван с двуканален измервател на фактора на мощността на стояща вълна (SWR), който записва инцидента \({V_I}\) и отразеното усилено напрежение\(V_R\) в аналогово-цифров (AD) режим.с честота на дискретизация 300 kHz конвертор (аналогов 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, внедрен в MATLAB, функцията за честотна характеристика (FRF), т.е. \(\tilde{H}(f)\), беше оценена офлайн с помощта на двуканален синусоидален метод за измерване (фиг. 4), който предполага линейност във времето.инвариантна система.В допълнение се прилага лентов филтър от 20 до 40 kHz, за да се премахнат всички нежелани честоти от сигнала.Позовавайки се на теорията на преносните линии, в този случай \(\tilde{H}(f)\) е еквивалентен на коефициента на отражение на напрежението, т.е. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) намалява до \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) е равно на \(|\rho _{V}|^2\).В случаите, когато се изискват абсолютни стойности на електрическата мощност, падащата мощност \(P_I\) и отразената мощност \(P_R\) мощност (W) се изчисляват чрез вземане на средноквадратичната стойност (rms) 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, подадена към товара \(P_T\) (т.е. вмъкнатата среда) може да се изчисли като \(|P_I – P_R |\) (W RMS), както и ефективността на пренос на мощност (PTE) и процент ( %) може да се определи как е дадена формата, така че 27:
Игловидните модални честоти \(f_{1-3}\) (kHz) и съответните им фактори на пренос на мощност \(\text {PTE}_{1{-}3} \) след това се оценяват с помощта на FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz), изчислен директно от \(\text {PTE}_{1{-}3}\), от Таблица 1 A едностранно линеен спектър се получава при описаната модална честота \(f_{1-3}\).
Измерване на честотната характеристика (AFC) на иглени структури.Използва се синусоидално двуканално измерване25,38 за получаване на функцията на честотната характеристика \(\tilde{H}(f)\) и нейната импулсна характеристика H(t).\({\mathcal {F}}\) и \({\mathcal {F}}^{-1}\) представляват съответно преобразуването на Фурие на цифровото отрязване и неговото обратно.\(\tilde{G}(f)\) означава произведението на два сигнала в честотната област, напр. \(\tilde{G}_{XrX}\) означава произведението на обратно сканиране\(\tilde{ X} r (f)\ ) и падащо напрежение \(\tilde{X}(f)\) съответно.
Както е показано на фигура 5, високоскоростната камера (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, САЩ) е оборудвана с макро обектив (MP-E 65 mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Токио, Япония), за записване на отклонения на върха по време на възбуждане на огъване (едночестотна, непрекъсната синусоида) при честоти от 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 върха на иглата.
Изглед отпред на експерименталната постановка.Дълбочината се измерва от повърхността на средата.Структурата на иглата е захваната и монтирана върху моторизирана трансферна маса.Използвайте високоскоростна камера с обектив с голямо увеличение (5\(\x\)), за да измерите отклонението на наклонения ъгъл.Всички размери са в милиметри.
За всеки тип скосяване на иглата записахме 300 кадъра на високоскоростна камера с размери 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) е изрязан (2), така че върхът на иглата да е в последния ред (отдолу) на кадъра, и хистограмата на изображението (3) се изчислява, така че Canny могат да се определят прагове от 1 и 2.След това приложете Canny edge detection 28(4) с оператор Sobel 3 \(\times\) 3 и изчислете позиции за нехипотенузни пиксели (означени с \(\mathbf {\times }\)) без кавитация 300 времеви стъпки.За да определите диапазона на отклонение на върха, изчислете производната (използвайки алгоритъма за централна разлика) (6) и определете рамката (7), която съдържа локалните екстремуми (т.е. пик) на отклонението.След визуална проверка на ръба без кавитация бяха избрани двойка рамки (или две рамки с интервал от полувреме) (7) и беше измерена деформацията на върха (означена като \(\mathbf {\times } \) ).Горното е реализирано 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).И накрая, факторът на мощността на отклонение (DPR, µm/W) се изчислява като съотношението на отклонението от пик до пик към предадената електрическа мощност \(P_T\) (Wrms).
С помощта на 7-стъпков алгоритъм (1-7), включително изрязване (1-2), откриване на Canny edge (3-4), изчисление, измерете позицията на пиксела на ръба на отклонение на върха, като използвате поредица от кадри, взети от високо скоростна камера при 310 kHz (5) и нейната времева производна (6), и накрая, обхватът на отклонение на върха се измерва върху визуално проверени двойки кадри (7).
Измерено във въздух (22,4-22,9°C), дейонизирана вода (20,8-21,5°C) и 10% (w/v) воден балистичен желатин (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Говежди и свински костен желатин за тип I балистичен анализ, Honeywell International, Северна Каролина, САЩ).Температурата се измерва 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).Използвайте вертикално моторизирано ниво Z-ос (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Вилнюс, Литва), за да измерите дълбочината от повърхността на носителя (зададена като начало на Z-ос) 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 тестът за сумата от ранг на Wilcoxon с две извадки (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). за да сравните количеството отклонение на върха на иглата за различни скосове.Бяха направени три сравнения за всеки наклон, така че беше приложена корекция на Bonferroni с коригирано ниво на значимост от 0,017 и процент на грешка от 5%.
Направена е препратка към Фиг. 7 по-долу.При 29,75 kHz, извитата дължина на половин вълна (\(\lambda _y/2\)) на игла с калибър 21 е \(\приблизително) 8 mm.Дължината на вълната на огъване намалява по протежение на наклона, когато се приближава до върха.На върха \(\lambda _y/2\) има стъпаловидни скосявания съответно от 3, 1 и 7 mm за обикновени ланцети (a), асиметрични (b) и осесиметрични (c).По този начин това означава, че ланцетът ще се различава с \(\около\) 5 mm (поради факта, че двете равнини на ланцета образуват точка 29.30), асиметричният наклон ще варира със 7 mm, а симетричният наклон с 1 мм.Осесиметрични наклони (центърът на тежестта остава същият, така че само дебелината на стената всъщност се променя по наклона).
Приложение на FEM изследването при 29,75 kHz и уравнението.(1) Изчислете промяната на полувълната на огъване (\(\lambda _y/2\)) за ланцетна (a), асиметрична (b) и осесиметрична (c) наклонена геометрия (както на Фиг. 1a,b,c).).Средната стойност \(\lambda_y/2\) за ланцетния, асиметричния и осесиметричния наклон е 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 мобилност \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) е комбинация от оптимална дължина на тръбата (TL) и дължина на наклона (BL) (фиг. 8, 9).За конвенционален ланцет, тъй като размерът му е фиксиран, оптималният TL е \(\приблизително\) 29,1 mm (фиг. 8).За асиметрични и осесиметрични наклони (фиг. 9a, b, съответно), FEM изследването включва BL от 1 до 7 mm, така че оптималните диапазони на 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 асиметрични наклони (фиг. 9а), оптималният TL се увеличава линейно, достигайки плато при BL 4 mm и след това рязко намалява от BL 5 до 7 mm.За осесиметрични наклони (фиг. 9b), оптималният TL нараства линейно с удължението на BL и накрая се стабилизира при BL от 6 до 7 mm.Разширено изследване на осесиметрични наклони (фиг. 9c) показа различен набор от оптимални TL, разположени на \(\приблизително) 35,1–37,1 mm.За всички BL разстоянието между два набора от оптимални TL е \(\приблизително\) 8 mm (еквивалентно на \(\lambda _y/2\)).
Мобилност на предаване на ланцет при 29,75 kHz.Тръбата на иглата беше огъната при честота 29,75 kHz, вибрацията беше измерена в края и изразена като количеството на предадената механична подвижност (dB спрямо максималната стойност) за TL 26,5-29,5 mm (стъпка от 0,1 mm).
Параметричните изследвания на FEM при честота от 29,75 kHz показват, че подвижността на трансфера на осесиметричния връх е по-малко засегната от промените в дължината на тръбата, отколкото нейния асиметричен аналог.Изследвания на дължина на скосяване (BL) и дължина на тръба (TL) за асиметрични (a) и осесиметрични (b, c) геометрии на скосяване при изследвания на честотна област с помощта на FEM (граничните условия са показани на фигура 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) Разширено осесиметрично изследване на наклонен ъгъл, включващо TL 25-40 mm (стъпка 0,05 mm) и 0,1-7 mm (стъпка 0,1 mm), което разкрива желаното съотношение \(\lambda_y/2\) Условията на свободната движеща се граница за върха са изпълнени.
Структурата на иглата има три естествени честоти \(f_{1-3}\), разделени на ниски, средни и високи модални региони, както е показано в таблица 1. Размерът на PTE е показан на фигура 10 и след това анализиран на фигура 11. По-долу са резултати за всяка модална област:
Типични записани амплитуди на моментна ефективност на пренос на мощност (PTE), получени при използване на синусоидално възбуждане с плъзгаща се честота на дълбочина 20 mm за ланцет (L) и осесиметрични наклони AX1-3 във въздух, вода и желатин.Показан е едностранен спектър.Измерената честотна характеристика (честота на дискретизация 300 kHz) беше нискочестотна филтрирана и след това намалена с фактор 200 за модален анализ.Съотношението сигнал/шум е \(\le\) 45 dB.PTE фазата (лилава пунктирана линия) е показана в градуси (\(^{\circ}\)).
Анализът на модалния отговор е показан на Фигура 10 (средно ± стандартно отклонение, n = 5) за наклоните на L и AX1-3 във въздух, вода и 10% желатин (20 mm дълбочина) с (отгоре) три модални области (нисък , средна височина).), и съответните им модални честоти\(f_{1-3}\) (kHz), (средна) енергийна ефективност\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) използва проектни уравнения.(4) и (отдолу) са пълната ширина при половината от максималната измерена стойност \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), съответно.Обърнете внимание, че когато записвате нисък PTE, т.е. в случай на наклон AX2, измерването на честотната лента се пропуска, \(\text {FWHM}_{1}\).Режимът \(f_2\) се счита за най-подходящ за сравняване на отклонението на наклонени равнини, тъй като демонстрира най-високо ниво на ефективност на пренос на мощност (\(\text {PTE}_{2}\)), до 99% .
Първа модална област: \(f_1\) не зависи много от вмъкнатия тип носител, но зависи от геометрията на фаската.\(f_1\) намалява с намаляване на дължината на скосяването (съответно 27,1, 26,2 и 25,9 kHz за AX1-3 във въздуха).Регионалните средни стойности \(\text {PTE}_{1}\) и \(\text {FWHM}_{1}\) са \(\приблизително\) съответно 81% и 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) е най-високата в желатин от Lancet (L, 473 Hz).Имайте предвид, че \(\text {FWHM}_{1}\) за AX2 в желатин не може да бъде оценен поради ниската величина на докладваните честотни отговори.
Вторият модален регион: \(f_2\) зависи от вида на пастата и носителя с фаска.Във въздух, вода и желатин средните стойности \(f_2\) са съответно 29,1, 27,9 и 28,5 kHz.PTE за този модален регион също достигна 99%, най-високият сред всички измервателни групи, със средна регионална стойност от 84%.Средната площ \(\text {FWHM}_{2}\) е \(\приблизително\) 910 Hz.
Трета модална област: \(f_3\) Честотата зависи от вида на средата за вмъкване и фаската.Средните стойности на \(f_3\) са съответно 32.0, 31.0 и 31.3 kHz във въздух, вода и желатин.\(\text {PTE}_{3}\) има регионална средна стойност от \(\приблизително\) 74%, най-ниската от всички региони.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-високия 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).Прави се препратка към Фигура 12 и Таблица 2 по-долу.柳叶刀(L) 在空气和水中（图12a）中偏转最大（对所有尖端具有高度意义）,\(p<\) 0,017），实现最高DPR （空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) има най-голямото отклонение във въздуха и водата (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017) и постига най-висок DPR (до 220 µm/ W във въздуха). Ланцетът (L) има най-голямо отклонение (много значимо за всички наконечници, \(p<\) 0,017) във въздуха и водата (рис. 12а), достигайки най-високото DPR (до 220 мкм/Вт във въздуха). Ланцетът (L) има най-голямото отклонение (силно значимо за всички накрайници, \(p<\) 0,017) във въздух и вода (фиг. 12a), достигайки най-високия 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 от AX2–3 (със значимост \(p<\) 0,017), тогава като AX3 (с най-нисък BL) се отклони повече от 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，具有较高BL 的AX1 偏转高于AX2-3（具有显着性，\(p<\) 0,017，而AX3（具有最低BL）的偏大于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-високо от това на AX2, DPR е 190 µm/W. Във въздуха AX1 с по-висок BL има по-голямо отклонение, отколкото AX2-3 (значително, \(p<\) 0,017), тогава както AX3 (с най-нисък BL) има по-голямо отклонение, отколкото AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Във въздуха AX1 с по-висок BL има по-голямо отклонение от AX2-3 (значително, \(p<\) 0,017), докато AX3 (с най-нисък BL) има по-голямо отклонение от AX2 с DPR от 190 μm/W. Във вода при 20 mm не са открити значителни разлики (\(p>\) 0,017) в отклонението и PTE за AX1–3. Във вода при 20 mm не са открити значителни разлики (\(p>\) 0,017) в отклонението и PTE за AX1–3. Във вода на дълбочина 20 mm достоверни разлики (\(p>\) 0,017) при прогиб и FTR за AX1–3 не са открити. Във вода на дълбочина 20 mm бяха открити значителни разлики (\(p>\) 0,017) в отклонението и FTR за AX1–3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017). В 20 mm вода няма значима разлика между AX1-3 и PTE (\(p>\) 0,017). На дълбочина 20 mm прогиб и PTE AX1-3 съществено не се отличаваха (\(p>\) 0,017). На дълбочина 20 mm 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).
Измерванията на амплитудата на огъване на върха (средно ± стандартно отклонение, n = 5) за L и AX1-3 фаски във въздух и вода (дълбочина 20 mm) разкриха ефекта от промяната на геометрията на фаската.Измерванията се получават чрез непрекъснато едночестотно синусоидално възбуждане.(a) Пиково отклонение (\(u_y\vec {j}\)) във върха, измерено при (b) съответните им модални честоти \(f_2\).(c) Ефективност на пренос на мощност (PTE, rms, %) като уравнение.(4) и (d) Коефициент на мощност на отклонение (DPR, µm/W), изчислен като пиково отклонение и предавателна мощност \(P_T\) (Wrms).
Типична диаграма на сенките на високоскоростна камера, показваща пълното отклонение на върха на ланцета (зелени и червени пунктирани линии) на ланцета (L) и осесиметричния връх (AX1-3) във вода (дълбочина 20 mm), половин цикъл, честота на задвижване \(f_2\) (честота на дискретизация 310 kHz).Заснетото изображение в нива на сивото има размери 128×128 пиксела с 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 механичната подвижност за пренос за конвенционални ланцетни, асиметрични и аксиални комбинации от дължина на тръбата и скосяване (фиг. 8, 9).Симетрична скосена геометрия.Въз основа на последното, ние изчислихме оптималното разстояние между върха и заварката да бъде 43 mm (или \(\приблизително\) 2,75\(\lambda_y\) при 29,75 kHz), както е показано на Фигура 5, и изработихме три осесиметрични скосявания с различни дължини на скосяване.След това характеризирахме техните честотни характеристики в сравнение с конвенционалните ланцети във въздух, вода и 10% (w/v) балистичен желатин (Фигури 10, 11) и определихме най-добрия случай за сравняване на режима на отклонение при накланяне.Накрая измерихме отклонението на върха чрез вълна на огъване 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 инжектираната среда за всеки наклон.тип (фиг. 12).
Резултатите показват, че оста на наклона на геометрията влияе на амплитудното отклонение на оста на върха.Ланцетът има най-високата кривина, а също и най-високата DPR в сравнение с осесиметричния скос, докато осесиметричният скос има по-малко средно отклонение (фиг. 12). Осесиметричният скос от 4 mm (AX1), който има най-голяма дължина на скосяването, постигна статистически значимо най-високо отклонение във въздуха (\(p <0,017\), Таблица 2), в сравнение с други осесиметрични игли (AX2–3), но не са наблюдавани значителни разлики, когато иглата е поставена във вода. Осесиметричният скос от 4 mm (AX1), който има най-голяма дължина на скосяването, постигна статистически значимо най-високо отклонение във въздуха (\(p <0,017\), Таблица 2), в сравнение с други осесиметрични игли (AX2–3), но не са наблюдавани значителни разлики, когато иглата е поставена във вода. Осесимметричен скос достига 4 mm (AX1), имащ най-голяма дължина на скоса, статистически значимо на най-голямото отклонение във въздуха (\(p <0,017\), таблица 2) в сравнение с други осесимметрични иглами (AX2–3). Осесиметричен скос 4 mm (AX1), който има най-голяма дължина на скосяване, постигна статистически значимо по-голямо отклонение във въздуха (\(p <0,017\), Таблица 2) в сравнение с други осесиметрични игли (AX2–3).но значителни разлики не се наблюдават при поставяне на иглата във вода.与其他轴对称针(AX2-3) 相比，具有最长斜角长度的轴对称4 mm 斜角(AX1) 在空气中实现了统计上显着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时，没有观察到显着差异。 В сравнение с други аксиално симетрични игли (AX2-3), той има най-дългия наклонен ъгъл от 4 mm аксиално симетричен (AX1) във въздуха и е постигнал статистически значимо максимално отклонение (\(p <0,017\), Таблица 2) , но когато иглата е поставена във вода, не се наблюдава значителна разлика. Осесимметричен скос 4 mm (AX1) с най-голяма дължина на скобата осигурява статистически значимо максимално отклонение във въздуха в сравнение с други осесимметрични игла (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), но съществени разници не е имало. Осесиметричният наклон с най-голяма дължина на наклона от 4 mm (AX1) осигурява статистически значимо максимално отклонение във въздуха в сравнение с другите осесиметрични наклони (AX2-3) (\(p <0,017\), таблица 2), но няма значителна разлика.се наблюдава, когато иглата се постави във вода.По този начин по-голямата дължина на скосяването няма очевидни предимства по отношение на отклонението на пиковия връх.Като се вземе това предвид, се оказва, че геометрията на наклона, която се изследва в това изследване, има по-голямо влияние върху амплитудното отклонение, отколкото дължината на наклона.Това може да бъде свързано с твърдостта на огъване, например, в зависимост от материала, който се огъва и общата дебелина на строителната игла.
При експериментални изследвания големината на отразената огъваща вълна се влияе от граничните условия на върха.Когато върхът на иглата беше поставен във вода и желатин, \(\text {PTE}_{2}\) беше средно \(\приблизително\) 95% и \(\text {PTE}_{2}\) осредни стойностите са 73% и 77% (\text {PTE}_{1}\) и \(\text {PTE}_{3}\), съответно (фиг. 11).Това показва, че максималният трансфер на акустична енергия към средата за леене (например вода или желатин) се случва при \(f_2\).Подобно поведение беше наблюдавано в предишно проучване, използващо по-прости структури на устройството при честоти от 41-43 kHz, където авторите демонстрираха коефициента на отражение на напрежението, свързан с механичния модул на интеркалираната 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.Следователно, алгоритми за проследяване на резонанс като 17, 18, 33 могат да се използват за оптимизиране на силата на звука, доставян през стилуса.
Моделирането на дължината на вълната на огъване (фиг. 7) показва, че осесиметричният има по-висока структурна твърдост (т.е. по-висока твърдост на огъване) на върха, отколкото ланцетния и асиметричния скос.Изведено от (1) и използвайки известната връзка скорост-честота, ние оценяваме твърдостта на огъване на ланцетните, асиметрични и осесиметрични върхове като наклони \(\приблизително) съответно 200, 20 и 1500 MPa.Това съответства на (\lambda _y\) съответно 5.3, 1.7 и 14.2 mm при 29.75 kHz (фиг. 7a-c).Като се има предвид клиничната безопасност на процедурата USeFNAB, влиянието на геометрията върху твърдостта на дизайна на скосяването трябва да бъде оценено34.
Изследването на параметрите на скосяването и дължината на тръбата (фиг. 9) показа, че оптималният диапазон на TL за асиметричния (1,8 mm) е по-висок, отколкото за осесиметричния скос (1,3 mm).В допълнение, платото на подвижността варира от 4 до 4, 5 mm и от 6 до 7 mm съответно за асиметричен и осесиметричен наклон (фиг. 9a, b).Практическото значение на това откритие се изразява в производствени допуски, например по-нисък диапазон на оптимален TL може да означава необходимост от по-висока точност на дължината.В същото време платформата за добив осигурява по-голяма толерантност към избора на дължина на наклона при дадена честота, без да се отразява значително на добива.
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, а използвахме FEM изследвания, за да определим оптималната дължина на произведената игла.От гледна точка на практически ограничения, дължината на ланцета от върха до ръкава е с 0,4 cm по-дълга от другите игли (AX1-3), вижте фиг.3б.Това може да е повлияло на модалния отговор на игловидната структура.В допълнение, формата и обемът на вълноводната оловна спойка (вижте Фигура 3) може да повлияе на механичния импеданс на дизайна на щифта, което води до грешки в механичния импеданс и поведение при огъване.
И накрая, ние експериментално демонстрирахме, че геометрията на скосяването влияе върху количеството на деформация в USeFNAB.В ситуации, при които по-висока амплитуда на отклонение може да има положителен ефект върху ефекта на иглата върху тъканта, например ефективност на рязане след пробиване, може да се препоръча конвенционален ланцет за USeFNAB, тъй като той осигурява най-голямата амплитуда на отклонение, като същевременно поддържа достатъчна твърдост на върха на дизайна.В допълнение, скорошно проучване показа, че по-голямото отклонение на върха може да подобри биологичните ефекти като кавитация, което може да помогне за разработването на приложения за минимално инвазивни хирургични интервенции.Като се има предвид, че е доказано, че увеличаването на общата акустична мощност увеличава добива на биопсия от USeFNAB13, са необходими допълнителни количествени изследвания на добива и качеството на пробата, за да се оцени подробната клинична полза от изследваната геометрия на иглата.
Frable, WJ Биопсия с фина игла: преглед.Хъмфболен.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Време на публикуване: 13 октомври 2022 г