Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Verzija pretraživača koju koristite ima ograničenu podršku za CSS.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Nedavno je pokazano da upotreba ultrazvuka povećava prinos tkiva u aspiraciji tankom iglom potpomognutom ultrazvukom (USeFNAB) u poređenju sa konvencionalnom aspiracijom finom iglom (FNAB).Do danas, odnos između geometrije nagiba i kretanja vrha nije temeljito proučavan.U ovoj studiji smo istraživali svojstva rezonancije igle i amplitude otklona za različite geometrije igle s različitim dužinama igle.Koristeći konvencionalnu lancetu od 3,9 mm, faktor snage otklona vrha (DPR) u zraku i vodi bio je 220 odnosno 105 µm/W.Ovo je više od ososimetričnog 4 mm zakošenog vrha, pružajući 180 i 80 µm/W DPR u vazduhu i vodi, respektivno.Ova studija naglašava važnost odnosa između krutosti savijanja geometrije kosine u kontekstu različitih načina umetanja, te stoga može pružiti uvid u metode za kontrolu djelovanja rezanja nakon probijanja promjenom geometrije ukosa igle, što je važno.za USeFNAB aplikaciju je kritična.
Aspiraciona biopsija finom iglom (FNA) je metoda uzimanja uzoraka tkiva za sumnjivu patologiju1,2,3 pomoću igle.Pokazalo se da Franseen vrh pruža veće dijagnostičke performanse od konvencionalnih lancet4 i Menghini5 vrhova.Ososimetrični (tj. obodni) nagibi se također predlažu da povećaju vjerovatnoću histopatološki adekvatnih uzoraka.
Tokom biopsije, igla se provlači kroz slojeve kože i tkiva kako bi se pristupilo sumnjivim lezijama.Nedavne studije su pokazale da ultrazvuk može smanjiti silu penetracije potrebnu za pristup mekim tkivima7,8,9,10.Pokazalo se da geometrija ukošene igle utiče na sile interakcije igle, na primjer, pokazalo se da duži kosi imaju manje sile penetracije u tkivo11.Nakon što je igla prodrla u površinu tkiva, odnosno nakon punkcije, sila rezanja igle može iznositi 75% sile interakcije igle sa tkivom12.Pokazalo se da u fazi nakon punkcije ultrazvuk (ultrazvuk) povećava efikasnost dijagnostičke biopsije mekog tkiva.Druge tehnike biopsije kostiju poboljšane ultrazvukom su razvijene za uzimanje uzoraka tvrdog tkiva, ali nisu prijavljeni rezultati koji bi poboljšali prinos biopsije.Brojne studije su također potvrdile da se mehanički pomak povećava kada je podvrgnut ultrazvučnom naprezanju16,17,18.Iako postoje mnoge studije o aksijalnim (longitudinalnim) statičkim silama u interakcijama igle i tkiva19,20, postoje ograničene studije o vremenskoj dinamici i geometriji kosine igle pod ultrazvučnim FNAB (USeFNAB).
Cilj ovog istraživanja bio je istražiti utjecaj različitih geometrija kosina na kretanje vrha igle u igli koju pokreće ultrazvučno savijanje.Posebno smo istražili učinak medijuma za injekciju na otklon vrha igle nakon punkcije za tradicionalne igle igle (tj. USeFNAB igle za različite svrhe kao što je selektivna aspiracija ili akvizicija mekog tkiva.
U ovu studiju uključene su različite geometrije kosina.(a) Lancet specifikacija je u skladu sa ISO 7864:201636 gdje je \(\alpha\) primarni kos, \(\theta\) je ugao rotacije sekundarne kosine, a \(\phi\) je sekundarni nagib ugao., prilikom rotacije, u stepenima (\(^\circ\)).(b) Linearne asimetrične jednostepene ivice (nazvane "standardnim" u DIN 13097:201937) i (c) Linearne osimetrične (obodne) jednostepene ivice.
Naš pristup počinje modeliranjem promjene talasne dužine savijanja duž kosine za konvencionalne lancete, osi simetrične i asimetrične jednostupanjske geometrije kosine.Zatim smo izračunali parametarsku studiju da ispitamo uticaj nagiba i dužine cevi na mehaničku fluidnost prenosa.Ovo je neophodno za određivanje optimalne dužine za izradu prototipa igle.Na osnovu simulacije izrađeni su prototipovi igala i njihovo rezonantno ponašanje je eksperimentalno okarakterisano mjerenjem koeficijenata refleksije napona i izračunavanjem efikasnosti prijenosa snage u zraku, vodi i 10% (w/v) balističkom želatinu, iz čega je određena radna frekvencija. .Konačno, snimanje velikom brzinom se koristi za direktno mjerenje otklona talasa savijanja na vrhu igle u zraku i vodi, kao i za procjenu električne snage koja se isporučuje pod svakim kosim uglom i geometrije omjera snage skretanja ( DPR) na ubrizgani medij..
Kao što je prikazano na slici 2a, koristite cijev kalibra 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, debljina stijenke cijevi 0,155 mm, standardni zid) da biste definirali cijev igle s dužinom cijevi (TL) i uglom nagiba (BL) u skladu sa ISO 9626:201621) od nerđajućeg čelika 316 (Youngov modul 205 \(\text {GN/m}^{2}\), gustina 8070 kg/m\(^{3}\) i Poissonov odnos 0,275).
Određivanje talasne dužine savijanja i podešavanje modela konačnih elemenata (FEM) za igle i granične uslove.(a) Određivanje dužine kosine (BL) i dužine cijevi (TL).(b) Trodimenzionalni (3D) model konačnih elemenata (FEM) koji koristi silu harmonske tačke \(\tilde{F}_y\vec {j}\) za proksimalno pokretanje igle, skretanje tačke i mjerenje brzine na vrh (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) za izračunavanje prijenosa mehaničke fluidnosti.\(\lambda _y\) je definisana kao talasna dužina savijanja u odnosu na vertikalnu silu \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definicije centra gravitacije, površine poprečnog presjeka A i momenata inercije \(I_{xx}\) i \(I_{yy}\) oko x i y osi, respektivno.
Kao što je prikazano na sl.2b,c, za beskonačan (beskonačan) snop s površinom poprečnog presjeka A i na talasnoj dužini većoj od veličine poprečnog presjeka snopa, savijena (ili savijena) fazna brzina \( c_{EI }\) je određena sa 22 :
gdje je E Youngov modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je ugaona frekvencija pobude (rad/s), gdje je \( f_0 \ ) je linearna frekvencija (1/s ili Hz), I je moment inercije područja oko ose od interesa\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) je masa na jediničnu dužinu (kg/m), gdje je \(\rho _0\) gustina\((\text {kg/m}^{3})\) i A je krst presjek područja snopa (xy ravan) (\(\ tekst {m}^{2}\)).Kako je sila primijenjena u našem primjeru paralelna sa vertikalnom y-osi, tj. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zanima nas samo regionalni moment inercije oko horizontalne x-ose, tj. \(I_{xx}\), dakle:
Za model konačnih elemenata (MKE), pretpostavlja se čisti harmonijski pomak (m), pa je ubrzanje (\(\text {m/s}^{2}\)) izraženo kao \(\djelomično ^2 \vec { u}/ \ parcijalni t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) kao \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) je trodimenzionalni vektor pomaka dat u prostornim koordinatama.Umjesto potonjeg, u skladu sa njegovom implementacijom u softverskom paketu COMSOL Multiphysics (verzije 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, SAD), dat je Lagranžijev oblik zakona o ravnoteži impulsa konačnih deformacija kako slijedi:
gdje je \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je operator divergencije tenzora, \({\underline{\sigma}}\) je drugi Piola-Kirchhoff tenzor napona (drugi red, \(\ text { N/ m}^{2}\)) i \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) je vektor tjelesne sile (\(\text {N/m}^{3}\)) za svaki deformisani volumen, a \(e^{j\phi }\) je vektor faznog ugla\(\ phi \ ) (drago).U našem slučaju, zapreminska sila tijela je nula, naš model pretpostavlja geometrijsku linearnost i malu čisto elastičnu deformaciju, tj. gdje je \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) i \({\underline {\varepsilon}}\) su elastična deformacija i ukupna deformacija (drugi red, bezdimenzionalni), respektivno.Hookeov konstitutivni izotropni tenzor elastičnosti \(\underline{\underline{C}}\) se izračunava pomoću Youngovog modula E (\(\text {N/m}^{2}\)) i određuje se Poissonov omjer v, tj. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (četvrti red).Dakle, proračun napona postaje \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Proračun koristi tetraedarski element sa 10 čvorova s veličinom elementa \(\le\) od 8 µm.Igla je modelirana u vakuumu, a vrijednost prenesene mehaničke pokretljivosti (ms-1 N-1) je definisana kao \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, gdje je \(\tilde{v}_y\vec {j}\) izlazna kompleksna brzina nasadnika i \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) je složena pokretačka sila koja se nalazi na proksimalnom kraju cijevi, kao što je prikazano na slici 2b.Prevedite mehaničku fluidnost u decibele (dB) koristeći maksimalnu vrijednost kao referencu, tj. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Sve FEM studije su sprovedene na frekvenciji od 29,75 kHz.
Dizajn igle (slika 3) sastoji se od konvencionalne hipodermične igle 21 kalibra (kat. br. 4665643, Sterican\(^\circledR\), spoljni prečnik 0,8 mm, dužina 120 mm, nerđajući hrom-nikl AISI 304 čelika, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Njemačka) opremljen plastičnom Luer Lock navlakom od polipropilena na proksimalnom kraju i prikladno modificiranom na kraju.Igličasta cijev je zalemljena na valovod kao što je prikazano na slici 3b.Valovodi su odštampani na 3D štampaču od nerđajućeg čelika (EOS 316L nerđajući čelik na 3D štampaču EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finska) i zatim pričvršćeni na Langevin senzor pomoću M4 vijaka.Langevin senzor se sastoji od 8 piezoelektričnih prstenastih elemenata koji su na oba kraja opterećeni s dvije mase.
Četiri tipa vrhova (fotografija), komercijalno dostupna lanceta (L) i tri proizvedena ososimetrična jednostepena kosina (AX1-3) su okarakterisana dužinama kosine (BL) od 4, 1,2 i 0,5 mm, respektivno.(a) Krupni plan gotovog vrha igle.(b) Pogled odozgo na četiri igle zalemljene na 3D štampani talasovod i zatim spojene na Langevin senzor pomoću M4 vijaka.
Proizvedena su tri osnosimetrična vrha zakošene kose (Slika 3) (TAs Machine Tools Oy) sa dužinama kosina (BL, kako je definisano na slici 2a) od 4,0, 1,2 i 0,5 mm, što odgovara \(\približno) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) i 18\(^\circ\) respektivno.Masa talasovoda i igle je 3,4 ± 0,017 g (srednja vrednost ± sd, n = 4) za kosine L i AX1-3, respektivno (Quintix\(^\circledR\) 224 Dizajn 2, Sartorius AG, Göttingen, Nemačka) .Za kosine L i AX1-3 na slici 3b, ukupna dužina od vrha igle do kraja plastične čahure bila je 13,7, 13,3, 13,3 i 13,3 cm, respektivno.
Za sve konfiguracije igle, dužina od vrha igle do vrha talasovoda (tj. do područja zavara) bila je 4,3 cm, a cijev igle je bila orijentirana sa rezom prema gore (tj. paralelno s Y osom) , kao što je prikazano na slici.c (sl. 2).
Prilagođena skripta u MATLAB-u (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, SAD) koja radi na računaru (Latitude 7490, Dell Inc., Teksas, SAD) korištena je za generiranje linearnog sinusoidalnog sweep-a od 25 do 35 kHz u trajanju od 7 sekundi, prolaz Digitalno-analogni (DA) pretvarač (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, SAD) pretvara u analogni signal.Analogni signal \(V_0\) (0,5 Vp-p) je zatim pojačan namenskim pojačalom za radio frekvenciju (RF) (Mariachi Oy, Turku, Finska).Padajući pojačani napon \({V_I}\) iz RF pojačivača sa izlaznom impedansom od 50 oma se dovodi do transformatora ugrađenog u igličastu strukturu sa ulaznom impedansom od 50 oma.Langevinovi pretvarači (prednji i zadnji teški višeslojni piezoelektrični pretvarači) se koriste za generiranje mehaničkih valova.Prilagođeno RF pojačalo opremljeno je dvokanalnim mjeračem faktora snage stojećeg talasa (SWR) koji bilježi incident \({V_I}\) i reflektirani pojačani napon\(V_R\) u analogno-digitalnom (AD) načinu rada.sa frekvencijom uzorkovanja od 300 kHz Converter (analogni Discovery 2).Pobudni signal je amplitudno moduliran na početku i na kraju kako bi se spriječilo preopterećenje ulaza pojačala tranzijentima.
Koristeći prilagođenu skriptu implementiranu u MATLAB-u, funkcija frekvencijskog odziva (FRF), tj. \(\tilde{H}(f)\), procijenjena je van mreže korištenjem dvokanalne metode mjerenja sinusoidnog sweep-a (slika 4), koja pretpostavlja linearnost u vremenu.invarijantni sistem.Osim toga, primjenjuje se propusni filter od 20 do 40 kHz kako bi se uklonile sve neželjene frekvencije iz signala.Pozivajući se na teoriju dalekovoda, u ovom slučaju \(\tilde{H}(f)\) je ekvivalentno koeficijentu refleksije napona, tj. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) smanjuje se na \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) jednako \(|\rho _{V}|^2\).U slučajevima kada su potrebne apsolutne vrijednosti električne snage, upadna snaga \(P_I\) i reflektovana snaga \(P_R\) snaga (W) se izračunavaju uzimanjem efektivne vrijednosti (rms) odgovarajućeg napona, na primjer.za dalekovod sa sinusoidnom pobudom \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, gdje je \(Z_0\) jednako 50 \(\Omega\).Električna snaga dovedena u opterećenje \(P_T\) (tj. umetnuti medij) može se izračunati kao \(|P_I – P_R |\) (W RMS), kao i efikasnost prijenosa energije (PTE) i postotak ( %) se može odrediti kako je oblik dat, pa 27:
Acikularne modalne frekvencije \(f_{1-3}\) (kHz) i njihovi odgovarajući faktori prijenosa snage \(\text {PTE}_{1{-}3} \) se zatim procjenjuju koristeći FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) procijenjeno direktno iz \(\text {PTE}_{1{-}3}\), iz tabele 1 A jednostrano linearni spektar se dobija na opisanoj modalnoj frekvenciji \(f_{1-3}\).
Mjerenje frekvencijskog odziva (AFC) igličastih struktura.Sinusoidno dvokanalno mjerenje sweep-a25,38 se koristi za dobivanje funkcije frekvencijskog odziva \(\tilde{H}(f)\) i njenog impulsnog odziva H(t).\({\mathcal {F}}\) i \({\mathcal {F}}^{-1}\) predstavljaju Fourierovu transformaciju digitalnog skraćenja i njegovu inverznu, respektivno.\(\tilde{G}(f)\) znači proizvod dva signala u frekvencijskom domenu, npr. \(\tilde{G}_{XrX}\) znači inverzni proizvod skeniranja\(\tilde{ X} r (f)\ ) i napon pada \(\tilde{X}(f)\) respektivno.
Kao što je prikazano na slici 5, kamera velike brzine (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, SAD) opremljena je makro objektivom (MP-E 65mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokio, Japan), za snimanje otklona vrha tokom pobude savijanja (jednofrekventna, kontinuirana sinusoida) na frekvencijama od 27,5-30 kHz.Za kreiranje mape sjena, hlađeni element bijele LED diode visokog intenziteta (broj dijela: 4052899910881, bijeli LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Njemačka) postavljen je iza vrha igle.
Pogled sprijeda na eksperimentalnu postavu.Dubina se mjeri od površine medija.Struktura igle je stegnuta i montirana na motorizovani prenosni sto.Koristite kameru velike brzine sa objektivom velikog povećanja (5\(\x\)) za mjerenje odstupanja kosog ugla.Sve dimenzije su u milimetrima.
Za svaki tip nagiba igle snimili smo 300 kadrova brze kamere dimenzija 128 \(\x\) 128 piksela, svaki sa prostornom rezolucijom od 1/180 mm (\(\približno) 5 µm), sa vremenska rezolucija od 310.000 sličica u sekundi.Kao što je prikazano na slici 6, svaki okvir (1) je izrezan (2) tako da je vrh igle u posljednjoj liniji (donu) okvira, a histogram slike (3) je izračunat, tako da je Canny mogu se odrediti pragovi od 1 i 2.Zatim primijenite Canny rub detekciju 28(4) sa Sobel operatorom 3 \(\times\) 3 i izračunajte pozicije za piksele bez hipotenuze (označene \(\mathbf {\times }\)) bez kavitacije 300 vremenskih koraka.Da biste odredili opseg otklona vrha, izračunajte derivaciju (koristeći algoritam centralne razlike) (6) i odredite okvir (7) koji sadrži lokalne ekstreme (tj. vrh) otklona.Nakon vizuelnog pregleda ruba bez kavitacije, odabran je par okvira (ili dva okvira sa intervalom od pola vremena) (7) i izmjeren je otklon vrha (označen kao \(\mathbf {\times } \) ).Gore navedeno je implementirano u Python-u (v3.8, Python Software Foundation, python.org) koristeći OpenCV Canny algoritam za detekciju rubova (v4.5.1, biblioteka kompjuterskog vida otvorenog koda, opencv.org).Konačno, faktor snage otklona (DPR, µm/W) izračunava se kao omjer odstupanja od vrha do vrha prema prenesenoj električnoj snazi \(P_T\) (Wrms).
Koristeći algoritam od 7 koraka (1-7), uključujući izrezivanje (1-2), Canny ivicu (3-4), izračunavanje, izmjerite poziciju piksela ruba skretanja vrha koristeći seriju kadrova uzetih iz visoko- kamera za brzinu na 310 kHz (5) i njen vremenski izvod (6), i, konačno, opseg otklona vrha se meri na vizuelno proverenim parovima okvira (7).
Izmjereno u zraku (22,4-22,9°C), deioniziranoj vodi (20,8-21,5°C) i 10% (w/v) vodenoj balističkoj želatini (19,7-23,0°C , \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatin od goveđe i svinjske kosti za balističku analizu tipa I, Honeywell International, Sjeverna Karolina, SAD).Temperatura je mjerena termoelementom tipa K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) i termoparom tipa K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 tip-K, Fluke Corporation, Washington, SAD).Upotrijebite vertikalni motorizirani stepen Z-ose (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litvanija) za mjerenje dubine od površine medija (postavljene kao ishodište Z-ose) s rezolucijom od 5 µm po koraku.
Budući da je veličina uzorka bila mala (n = 5) i da se normalnost nije mogla pretpostaviti, korišten je dvosmjerni Wilcoxonov test sume ranga s dva uzorka (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). da uporedite količinu varijanse vrha igle za različite kosine.Za svaki nagib su napravljena tri poređenja, pa je primijenjena Bonferronijeva korekcija sa prilagođenim nivoom značajnosti od 0,017 i stopom greške od 5%.
Pozivanje se daje na Sliku 7 ispod.Na 29,75 kHz, zakrivljena poluvalna dužina (\(\lambda _y/2\)) igle 21 kalibra je \(\približno) 8 mm.Talasna dužina savijanja se smanjuje duž nagiba kako se približava vrhu.Na vrhu \(\lambda _y/2\) nalaze se stepenaste kosine od 3, 1 i 7 mm, redom, za obične lancete (a), asimetrične (b) i osimetrične (c).Dakle, to znači da će se lanceta razlikovati za \(\oko\) 5 mm (zbog činjenice da dvije ravni lancete formiraju tačku od 29,30), asimetrični nagib će varirati za 7 mm, a simetrični nagib za 1 mm.Ososimetrični nagibi (težište ostaje isto, tako da se samo debljina zida mijenja duž nagiba).
Primjena FEM studije na 29,75 kHz i jednadžbe.(1) Izračunajte promenu polutalasa savijanja (\(\lambda _y/2\)) za lancetnu (a), asimetričnu (b) i ososimetričnu (c) kosu geometriju (kao na slici 1a,b,c).).Prosjek \(\lambda_y/2\) za lancetaste, asimetrične i ososimetrične nagibe je 5,65, 5,17 i 7,52 mm, respektivno.Imajte na umu da je debljina vrha za asimetrične i osi simetrične kosine ograničena na \(\približno) 50 µm.
Maksimalna pokretljivost \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je kombinacija optimalne dužine cijevi (TL) i dužine nagiba (BL) (sl. 8, 9).Za konvencionalnu lancetu, pošto je njena veličina fiksna, optimalna TL je \(\približno\) 29,1 mm (slika 8).Za asimetrične i ososimetrične nagibe (sl. 9a, b, respektivno), FEM studija je uključivala BL od 1 do 7 mm, tako da su optimalni rasponi TL bili od 26,9 do 28,7 mm (raspon 1,8 mm) i od 27,9 do 29,2 mm (raspon 1,3 mm).) ), respektivno.Za asimetrične kosine (slika 9a), optimalni TL raste linearno, dostižući plato na BL 4 mm, a zatim se naglo smanjuje sa BL 5 na 7 mm.Za ososimetrične nagibe (slika 9b), optimalni TL raste linearno s BL izduženjem i konačno se stabilizira na BL od 6 do 7 mm.Prošireno istraživanje ososimetričnih nagiba (slika 9c) pokazalo je drugačiji skup optimalnih TL-ova koji se nalaze na \(\približno) 35,1–37,1 mm.Za sve BL, razmak između dva skupa optimalnih TL-ova je \(\približno\) 8 mm (ekvivalentno \(\lambda _y/2\)).
Lancetna mobilnost prijenosa na 29,75 kHz.Iglana cijev je savijena na frekvenciji od 29,75 kHz, vibracija je izmjerena na kraju i izražena kao količina prenesene mehaničke pokretljivosti (dB u odnosu na maksimalnu vrijednost) za TL 26,5-29,5 mm (korak 0,1 mm).
Parametrijska istraživanja FEM-a na frekvenciji od 29,75 kHz pokazuju da na prijenosnu mobilnost ososimetričnog vrha manje utječu promjene dužine cijevi nego na njen asimetrični kolega.Studije dužine kosine (BL) i dužine cijevi (TL) za asimetrične (a) i osimetrične (b, c) geometrije kosine u studijama frekvencijskog domena korištenjem FEM (granični uvjeti prikazani su na slici 2).(a, b) TL se kretao od 26,5 do 29,5 mm (korak 0,1 mm) i BL 1-7 mm (korak 0,5 mm).(c) Prošireno osnosimetrično istraživanje kosog ugla uključujući TL 25-40 mm (korak 0,05 mm) i 0,1-7 mm (korak 0,1 mm) koje otkriva željeni omjer \(\lambda_y/2\). Labavi granični uvjeti za pomicanje za vrh su zadovoljeni.
Struktura igle ima tri prirodne frekvencije \(f_{1-3}\) podijeljene na niske, srednje i visoke modalne regije kao što je prikazano u tabeli 1. Veličina PTE je prikazana na slici 10, a zatim analizirana na slici 11. Ispod su rezultati za svako modalno područje:
Tipične zabilježene amplitude trenutne efikasnosti prijenosa snage (PTE) dobivene korištenjem sinusoidne ekscitacije sa frekvencijom pomicanja na dubini od 20 mm za lancetu (L) i osnosimetrične nagibe AX1-3 u zraku, vodi i želatinu.Prikazan je jednostrani spektar.Izmjereni frekventni odziv (brzina uzorkovanja od 300 kHz) filtriran je niskopropusnim opsegom, a zatim smanjen za faktor 200 za modalnu analizu.Odnos signal-šum je \(\le\) 45 dB.PTE faza (ljubičasta tačkasta linija) je prikazana u stepenima (\(^{\circ}\)).
Analiza modalnog odgovora prikazana je na slici 10 (srednja ± standardna devijacija, n = 5) za nagibe L i AX1-3 u zraku, vodi i 10% želatina (20 mm dubine) sa (gornja) tri modalna područja (niska , srednje, visoko).), i njihove odgovarajuće modalne frekvencije\(f_{1-3}\) (kHz), (prosječna) energetska efikasnost\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) koristi jednačine dizajna.(4) i (dole) su puna širina na polovini maksimalne izmjerene vrijednosti \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respektivno.Imajte na umu da kada snimate niski PTE, tj. u slučaju AX2 nagiba, mjerenje propusnog opsega je izostavljeno, \(\text {FWHM}_{1}\).Način \(f_2\) se smatra najpogodnijim za poređenje otklona kosih ravni, jer pokazuje najviši nivo efikasnosti prijenosa snage (\(\text {PTE}_{2}\)), do 99% .
Prva modalna regija: \(f_1\) ne zavisi mnogo od umetnutog tipa medija, ali zavisi od geometrije iskosa.\(f_1\) se smanjuje sa smanjenjem dužine kosine (27,1, 26,2 i 25,9 kHz za AX1-3, respektivno, u zraku).Regionalni prosjeci \(\text {PTE}_{1}\) i \(\text {FWHM}_{1}\) su \(\približno\) 81% i 230 Hz respektivno.\(\text {FWHM}_{1}\) je bio najveći u želatinu iz Lanceta (L, 473 Hz).Imajte na umu da se \(\text {FWHM}_{1}\) za AX2 u želatinu ne može procijeniti zbog male veličine prijavljenih frekvencijskih odziva.
Druga modalna regija: \(f_2\) zavisi od vrste paste i medija za iskošenje.U zraku, vodi i želatini prosječne \(f_2\) vrijednosti su 29,1, 27,9 i 28,5 kHz, respektivno.PTE za ovu modalnu regiju je također dostigao 99%, najviši među svim mjernim grupama, sa regionalnim prosjekom od 84%.Prosjek područja \(\text {FWHM}_{2}\) je \(\približno\) 910 Hz.
Treći modalni region: \(f_3\) Frekvencija zavisi od vrste medija za umetanje i kosine.Prosječne \(f_3\) vrijednosti su 32,0, 31,0 i 31,3 kHz u zraku, vodi i želatinu, respektivno.\(\text {PTE}_{3}\) ima regionalni prosjek od \(\približno\) 74%, najniži od svih regija.Regionalni prosjek \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\približno\) 1085 Hz, što je više od prvog i drugog regiona.
Sledeće se odnosi na sl.12 i tabela 2. Lanceta (L) se najviše skretala (sa visokim značajem za sve vrhove, \(p<\) 0,017) iu zraku i u vodi (slika 12a), postigavši najveći DPR (do 220 µm/ W u vazduhu). 12 i tabela 2. Lanceta (L) se najviše skretala (sa visokim značajem za sve vrhove, \(p<\) 0,017) iu zraku i u vodi (slika 12a), postigavši najveći DPR (do 220 µm/ W u vazduhu). Sljedeće se odnosi na crtež 12 i tablicu 2. Lancet (L) se otklonio više od svega (sa visokom značajnošću za sve konečnike, \(p<\) 0,017) kao u zraku, tako i u vodi (ris. 12a), dostigavši samu visoku DPR . Sledeće se odnosi na Sliku 12 i Tabelu 2. Lancet (L) se najviše skretao (sa velikim značajem za sve vrhove, \(p<\) 0,017) iu vazduhu iu vodi (Slika 12a), postigavši najveći DPR.(do 220 μm/W u vazduhu).Pozivanje se daje na Sliku 12 i Tabelu 2 u nastavku.柳叶刀 (L) 在空气和水中 (图12a)最高DPR (空气中高达220 µm/W)。柳叶刀(L) ima najveći otklon u zraku i vodi (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017) i postigao je najveći DPR (do µ20 µ2 W u vazduhu). Lancet (L) ima najveću otklonenost (značajno za sve konečnike, \(p<\) 0,017) u vazduhu i vodi (ris. 12a), dostiže najveći DPR (do 220 mkm/Vt u vazduhu). Lancet (L) ima najveće odstupanje (visoko značajno za sve vrhove, \(p<\) 0,017) u vazduhu i vodi (slika 12a), dostižući najveći DPR (do 220 µm/W u vazduhu). U vazduhu, AX1 koji je imao veći BL, skretao se više od AX2–3 (sa značajnošću, \(p<\) 0,017), dok je AX3 (koji je imao najniži BL) skrenuo više od AX2 sa DPR od 190 µm/W. U vazduhu, AX1 koji je imao veći BL, skretao se više od AX2–3 (sa značajnošću, \(p<\) 0,017), dok je AX3 (koji je imao najniži BL) skrenuo više od AX2 sa DPR od 190 µm/W. U zraku AX1 s više visokog BL otklona više, od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), tada kao što je AX3 (s najnižim BL) naklonjen više, nego AX2 sa DPR 190 mkm/Vt. U vazduhu, AX1 sa većim BL se skretao više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (sa najnižim BL) skrenuo više od AX2 sa 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)转大于AX2, DPR 为190 µm/W. U vazduhu, otklon AX1 sa većim BL je veći od onog kod AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), a otklon AX3 (sa najnižim BL) je veći od onog kod AX2, DPR je 190 µm/W. U vazduhu AX1 sa višim BL ima veći otklon, od AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), tada kao AX3 (s najnižim BL) ima veći otklon, od AX2 sa DPR 190 mkm/Vt. U vazduhu, AX1 sa većim BL ima veće odstupanje od AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), dok AX3 (sa najnižim BL) ima veće odstupanje od AX2 sa DPR od 190 μm/W. U vodi na 20 mm nisu nađene značajne razlike (\(p>\) 0,017) u otklonu i PTE za AX1–3. U vodi na 20 mm nisu nađene značajne razlike (\(p>\) 0,017) u otklonu i PTE za AX1–3. U vodi na dubini od 20 mm dostovernih razlika (\(p>\) 0,017) po progibu i FTR-u za AX1–3 nije otkriveno. U vodi na dubini od 20 mm uočene su značajne razlike (\(p>\) 0,017) u otklonu i FTR za AX1–3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 U 20 mm vode nije bilo značajne razlike između AX1-3 i PTE (\(p>\) 0,017). Dubina progiba od 20 mm i PTE AX1-3 značajno se ne razlikuju (\(p>\) 0,017). Na dubini od 20 mm otklon i PTE AX1-3 nisu se značajno razlikovali (\(p>\) 0,017).Nivoi PTE u vodi (90,2–98,4%) su generalno bili viši nego u vazduhu (56–77,5%) (slika 12c), a pojava kavitacije je zabeležena tokom eksperimenta u vodi (slika 13, vidi i dodatne informacije).
Mjerenja amplitude savijanja vrha (srednja vrijednost ± standardna devijacija, n = 5) za L i AX1-3 ukošene u zraku i vodi (dubina 20 mm) otkrila su učinak promjene geometrije skošenja.Mjerenja su dobivena korištenjem kontinuirane jednofrekventne sinusoidne pobude.(a) Maksimalno odstupanje (\(u_y\vec {j}\)) na vrhu, mjereno na (b) njihovim odgovarajućim modalnim frekvencijama \(f_2\).(c) Efikasnost prenosa energije (PTE, rms, %) kao jednačina.(4) i (d) Faktor snage devijacije (DPR, µm/W) izračunat kao vršna devijacija i snaga prijenosa \(P_T\) (Wrms).
Tipični dijagram sjene kamere velike brzine koji pokazuje ukupni otklon vrha lancete (zelene i crvene isprekidane linije) lancete (L) i osi simetričnog vrha (AX1-3) u vodi (dubina 20 mm), poluciklus, frekvencija pogona \(f_2\) (uzorkovanje frekvencije 310 kHz).Snimljena slika u sivim tonovima ima dimenzije od 128×128 piksela sa veličinom piksela od \(\približno) 5 µm.Video možete pronaći u dodatnim informacijama.
Tako smo modelirali promjenu valne dužine savijanja (slika 7) i izračunali mehaničku pokretljivost za prijenos za konvencionalne kopljaste, asimetrične i aksijalne kombinacije dužine cijevi i kosine (sl. 8, 9).Simetrična zakošena geometrija.Na osnovu potonjeg, procijenili smo da je optimalna udaljenost od vrha do zavara 43 mm (ili \(\približno\) 2,75\(\lambda_y\) na 29,75 kHz) kao što je prikazano na slici 5, i proizveli tri osnosimetrična kosina sa različite dužine kosina.Zatim smo okarakterisali njihove frekventne odzive u poređenju sa konvencionalnim lancetama u vazduhu, vodi i 10% (w/v) balističkom želatinu (slike 10, 11) i odredili najbolji slučaj za poređenje načina otklona nagiba.Konačno, izmjerili smo otklon vrha talasom savijanja u zraku i vodi na dubini od 20 mm i kvantificirali efikasnost prijenosa snage (PTE, %) i faktor snage otklona (DPR, µm/W) ubrizganog medija za svaki nagib.tip (slika 12).
Rezultati pokazuju da os nagiba geometrije utječe na amplitudno odstupanje ose vrha.Lanceta je imala najveću zakrivljenost i ujedno i najveći DPR u odnosu na ososimetričnu kosinu, dok je ososimetrična kosina imala manje srednje odstupanje (Sl. 12). Osi simetrična kosina od 4 mm (AX1) sa najdužom dužinom kosine, postigla je statistički značajno najveći otklon u zraku (\(p < 0,017\), tabela 2), u poređenju s drugim osi simetričnim iglama (AX2–3), ali nisu uočene značajne razlike kada je igla stavljena u vodu. Osi simetrična kosina od 4 mm (AX1) sa najdužom dužinom kosine, postigla je statistički značajno najveći otklon u zraku (\(p < 0,017\), tabela 2), u poređenju s drugim osi simetričnim iglama (AX2–3), ali nisu uočene značajne razlike kada je igla stavljena u vodu. Osesimmetrični skos 4 mm (AX1), koji ima najmanju dužinu skosa, dostiže statistički značajnog najvećeg otklona u vazduhu (\(p <0,017\), tabela 2) prema drugim osesimetričnim iglama (AX2–3). Ososimetrična kosina 4 mm (AX1), s najvećom dužinom kosine, postigla je statistički značajno veće odstupanje u zraku (\(p < 0,017\), tablica 2) u odnosu na druge osnosimetrične igle (AX2–3).ali značajne razlike nisu uočene prilikom stavljanja igle u vodu.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) 在空枰着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时,没有观察到显着差异. U poređenju sa drugim aksijalno simetričnim iglama (AX2-3), ima najduži kosi ugao od 4 mm aksijalno simetrične (AX1) u vazduhu, i postigao je statistički značajan maksimalni otklon (\(p < 0,017\), tabela 2) , ali kada je igla stavljena u vodu, nije uočena značajna razlika. Osesimmetrični skos 4 mm (AX1) sa najvećom dužinom skosa osigurava statistički značajno maksimalno otklone u zraku u odnosu na druge osimetrične iglama (AX2-3) (\(p < 0,017\), tablica 2), ali suštinske razlike nije bilo. Ososimetrični nagib s najdužom dužinom nagiba od 4 mm (AX1) je dao statistički značajno maksimalno odstupanje u zraku u odnosu na ostale ososimetrične nagibe (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabela 2), ali nije bilo značajna razlika.se posmatra kada se igla stavi u vodu.Dakle, duža dužina kosine nema očigledne prednosti u pogledu vršnog otklona vrha.Uzimajući to u obzir, ispada da geometrija nagiba, koja se istražuje u ovoj studiji, ima veći utjecaj na otklon amplitude nego dužina nagiba.To može biti povezano s krutošću na savijanje, na primjer, ovisno o materijalu koji se savija i ukupnoj debljini konstrukcijske igle.
U eksperimentalnim studijama, na veličinu reflektiranog fleksularnog vala utječu granični uvjeti vrha.Kada je vrh igle ubačen u vodu i želatin, \(\text {PTE}_{2}\) je u prosjeku \(\približno\) 95% i \(\text {PTE}_{2}\) prosječne vrijednosti iznose 73% i 77% (\text {PTE}_{1}\) i \(\text {PTE}_{3}\), respektivno (sl. 11).Ovo ukazuje da se maksimalni prijenos akustične energije na medij za livenje (na primjer, vodu ili želatinu) događa na \(f_2\).Slično ponašanje je uočeno u prethodnoj studiji koristeći jednostavnije strukture uređaja na frekvencijama od 41-43 kHz, gdje su autori demonstrirali koeficijent refleksije napona povezan s mehaničkim modulom interkalirane sredine.Dubina penetracije32 i mehanička svojstva tkiva pružaju mehaničko opterećenje na iglu i stoga se očekuje da utiču na rezonantno ponašanje UZeFNAB-a.Zbog toga se algoritmi za praćenje rezonancije kao što su 17, 18, 33 mogu koristiti za optimizaciju snage zvuka koji se isporučuje kroz olovku.
Modeliranje talasne dužine savijanja (slika 7) pokazuje da ososimetrična ima veću strukturnu krutost (tj. veću krutost na savijanje) na vrhu nego lanceta i asimetrična kosina.Izvedeno iz (1) i korištenjem poznatog odnosa brzina-frekvencija, procjenjujemo krutost na savijanje lanceta, asimetričnih i osi simetričnih vrhova kao nagibe \(\približno) 200, 20 i 1500 MPa, respektivno.Ovo odgovara (\lambda _y\) 5,3, 1,7 i 14,2 mm na 29,75 kHz, respektivno (sl. 7a–c).Uzimajući u obzir kliničku sigurnost USeFNAB procedure, potrebno je procijeniti utjecaj geometrije na krutost dizajna kosine34.
Proučavanje parametara kosine i dužine cijevi (slika 9) pokazalo je da je optimalni raspon TL za asimetrični (1,8 mm) veći nego za osno simetričan nagib (1,3 mm).Osim toga, plato pokretljivosti se kreće od 4 do 4,5 mm, odnosno od 6 do 7 mm za asimetrični i osimetrični nagib (sl. 9a, b).Praktična važnost ovog nalaza je izražena u proizvodnim tolerancijama, na primjer, niži raspon optimalnog TL-a može implicirati potrebu za većom preciznošću dužine.Istovremeno, platforma za prinos pruža veću toleranciju za izbor dužine nagiba na datoj frekvenciji bez značajnog uticaja na prinos.
Studija uključuje sljedeća ograničenja.Direktno mjerenje otklona igle pomoću detekcije rubova i snimanja velike brzine (slika 12) znači da smo ograničeni na optički prozirne medije kao što su zrak i voda.Također želimo istaći da nismo koristili eksperimente za testiranje simulirane prijenosne mobilnosti i obrnuto, već smo koristili FEM studije za određivanje optimalne dužine proizvedene igle.Sa stanovišta praktičnih ograničenja, dužina lancete od vrha do rukava je 0,4 cm duža od ostalih igala (AX1-3), vidi sl.3b.Ovo je moglo uticati na modalni odgovor acikularne strukture.Osim toga, oblik i volumen olovnog lema za talasovod (vidjeti sliku 3) mogu utjecati na mehaničku impedanciju dizajna pinova, što rezultira greškama u mehaničkoj impedansi i ponašanju savijanja.
Konačno, eksperimentalno smo pokazali da geometrija kosine utječe na količinu otklona u USeFNAB.U situacijama kada veća amplituda otklona može imati pozitivan učinak na učinak igle na tkivo, na primjer, efikasnost rezanja nakon punkcije, konvencionalna lanceta se može preporučiti za USeFNAB, jer pruža najveću amplitudu otklona uz održavanje dovoljne krutosti na vrhu dizajna.Osim toga, nedavna studija je pokazala da veći otklon vrha može poboljšati biološke efekte kao što je kavitacija, što može pomoći u razvoju aplikacija za minimalno invazivne hirurške intervencije.S obzirom da se pokazalo da povećanje ukupne akustične snage povećava prinos biopsije iz USeFNAB13, potrebne su daljnje kvantitativne studije prinosa uzorka i kvaliteta kako bi se procijenila detaljna klinička korist proučavane geometrije igle.
Frable, WJ Biopsija aspiracije finom iglom: pregled.Humph.Bolestan.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Vrijeme objave: 13.10.2022