Tak fordi du besøgte Nature.com.Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden stilarter og JavaScript.
Det er for nylig blevet påvist, at brugen af ultralyd øger vævsudbyttet ved ultralydsassisteret finnålsaspiration (USeFNAB) sammenlignet med konventionel finnålsaspiration (FNAB).Til dato er forholdet mellem affasningsgeometri og spidsbevægelse ikke blevet grundigt undersøgt.I denne undersøgelse undersøgte vi egenskaberne ved nåle-resonans og afbøjningsamplitude for forskellige nåle-bevel-geometrier med forskellige affasningslængder.Ved anvendelse af en konventionel 3,9 mm affaset lancet var spidsafbøjningseffektfaktoren (DPR) i luft og vand henholdsvis 220 og 105 µm/W.Dette er højere end den aksesymmetriske 4 mm affasede spids, der giver 180 og 80 µm/W DPR i henholdsvis luft og vand.Denne undersøgelse fremhæver vigtigheden af forholdet mellem bøjningsstivheden af skrågeometrien i sammenhæng med forskellige indføringsmidler og kan derfor give indsigt i metoder til styring af post-piercing skærevirkning ved at ændre nålens affasningsgeometri, hvilket er vigtigt.for en USeFNAB-applikation er kritisk.
Finnålsaspirationsbiopsi (FNA) er en metode til at udtage vævsprøver for formodet patologi1,2,3 ved hjælp af en nål.Franseen-spidsen har vist sig at give højere diagnostisk ydeevne end konventionelle lancet4- og Menghini5-spidser.Aksisymmetriske (dvs. periferiske) skråninger foreslås også for at øge sandsynligheden for histopatologisk passende prøver.
Under en biopsi føres en nål gennem lag af hud og væv for at få adgang til mistænkelige læsioner.Nylige undersøgelser har vist, at ultralyd kan reducere den gennemtrængningskraft, der kræves for at få adgang til blødt væv7,8,9,10.Nåleaffasningsgeometri har vist sig at påvirke nåleinteraktionskræfter, for eksempel har længere affasninger vist sig at have lavere vævsgennemtrængningskræfter11.Efter at nålen er trængt ind i vævets overflade, dvs. efter punktering, kan nålens skærekraft være 75 % af nålens interaktionskraft med vævet12.Det har vist sig, at i postpunkturfasen øger ultralyd (ultralyd) effektiviteten af diagnostisk bløddelsbiopsi.Andre ultralydsforstærkede knoglebiopsiteknikker er blevet udviklet til at tage prøver af hårdt væv, men der er ikke rapporteret resultater, der forbedrer biopsiudbyttet.Talrige undersøgelser har også bekræftet, at mekanisk forskydning øges, når den udsættes for ultralydsbelastning16,17,18.Mens der er mange undersøgelser af aksiale (langsgående) statiske kræfter i nåle-væv-interaktioner19,20, er der begrænsede undersøgelser af den tidsmæssige dynamik og geometri af nålebevel under ultralyds FNAB (USeFNAB).
Formålet med denne undersøgelse var at undersøge effekten af forskellige affasningsgeometrier på bevægelsen af nålespidsen i en nål drevet af ultralydsbøjning.Især undersøgte vi injektionsmediets virkning på nålespidsafbøjning efter punktering for traditionelle nåleaffasninger (dvs. USeFNAB-nåle til forskellige formål, såsom selektiv aspiration eller blødvævsopsamling.
Forskellige affasningsgeometrier blev inkluderet i denne undersøgelse.(a) Lancet-specifikationen overholder ISO 7864:201636, hvor \(\alpha\) er den primære affasning, \(\theta\) er rotationsvinklen for den sekundære affasning, og \(\phi\) er den sekundære affasning. vinkel., når den roterer, i grader (\(^\cirkel\)).(b) Lineære asymmetriske enkelttrinsaffasninger (kaldet "standard" i DIN 13097:201937) og (c) Lineære aksesymmetriske (periferielle) enkelttrinsfasninger.
Vores tilgang starter med at modellere ændringen i bøjningsbølgelængde langs affasningen for konventionelle lancet-, aksesymmetriske og asymmetriske enkelttrinsfasgeometrier.Vi beregnede derefter en parametrisk undersøgelse for at undersøge effekten af rørhældning og længde på overførslens mekaniske fluiditet.Dette er nødvendigt for at bestemme den optimale længde til fremstilling af en prototype nål.Baseret på simuleringen blev der fremstillet nåleprototyper, og deres resonansadfærd blev eksperimentelt karakteriseret ved at måle spændingsreflektionskoefficienterne og beregne effektoverførselseffektiviteten i luft, vand og 10 % (w/v) ballistisk gelatine, hvorfra driftsfrekvensen blev bestemt .Endelig bruges højhastighedsbilleddannelse til direkte at måle afbøjningen af bøjningsbølgen ved spidsen af nålen i luft og vand, samt til at estimere den leverede elektriske effekt ved hver skrå vinkel og geometrien af afbøjningseffektforholdet ( DPR) til det injicerede medium..
Som vist i figur 2a skal du bruge et 21 gauge rør (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, rørvægtykkelse 0,155 mm, standardvæg) til at definere nålerøret med rørlængde (TL) og skråvinkel (BL) i overensstemmelse med ISO 9626:201621) i 316 rustfrit stål (Youngs modul 205 \(\text {GN/m}^{2}\), densitet 8070 kg/m\(^{3}\) og Poissons forhold 0,275 ).
Bestemmelse af bøjningsbølgelængden og tuning af finite element model (FEM) for nåle- og randbetingelser.(a) Bestemmelse af skrålængde (BL) og rørlængde (TL).(b) Tredimensionel (3D) finite element model (FEM) ved hjælp af en harmonisk punktkraft \(\tilde{F}_y\vec {j}\) til at drive nålen proksimalt, afbøje punktet og måle hastigheden ved tip (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) for at beregne overførslen af mekanisk fluiditet.\(\lambda _y\) er defineret som bøjningsbølgelængden i forhold til den lodrette kraft \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definitioner af tyngdepunktet, tværsnitsarealet A og inertimomenterne \(I_{xx}\) og \(I_{yy}\) omkring henholdsvis x- og y-akserne.
Som vist i fig.2b,c, for en uendelig (uendelig) stråle med tværsnitsareal A og ved en bølgelængde større end strålens tværsnitsstørrelse, er den bøjede (eller bøjede) fasehastighed \( c_{EI }\) bestemt af 22 :
hvor E er Youngs modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) er excitationsvinkelfrekvensen (rad/s), hvor \( f_0 \ ) er den lineære frekvens (1/s eller Hz), I er inertimomentet for området omkring interesseaksen\((\tekst {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) er massen på enhedslængde (kg/m), hvor \(\rho _0\) er massefylden\((\tekst {kg/m}^{3})\) og A er krydset sektion af stråleområdet (xy-plan) (\(\ tekst {m}^{2}\)).Da kraften anvendt i vores eksempel er parallel med den lodrette y-akse, dvs. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), er vi kun interesserede i det regionale inertimoment omkring den vandrette x-akse, dvs. \(I_{xx}\), så:
For finite element-modellen (FEM) antages en ren harmonisk forskydning (m), så accelerationen (\(\text {m/s}^{2}\)) udtrykkes som \(\partial ^2 \vec { u}/ \ partial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) som \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) er en tredimensionel forskydningsvektor givet i rumlige koordinater.I stedet for sidstnævnte, i overensstemmelse med dens implementering i COMSOL Multiphysics-softwarepakken (version 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), er den endelige deformation Lagrangianske form for momentumbalanceloven givet som følger:
hvor \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) er tensor divergensoperatoren, \({\underline{\sigma}}\) er den anden Piola-Kirchhoff stresstensor (anden orden, \(\ text { N/ m}^{2}\)) og \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) er kropskraftvektoren (\(\text {N/m}^{3}\)) for hvert deformeret volumen, og \(e^{j\phi }\) er fasevinkelvektoren\(\ phi \ ) (glad).I vores tilfælde er kroppens volumenkraft nul, vores model antager geometrisk linearitet og en lille ren elastisk deformation, dvs. hvor \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) og \({\underline) {\varepsilon}}\) er henholdsvis elastisk tøjning og total belastning (anden orden, dimensionsløs).Hookes konstitutive isotropiske elasticitetstensor \(\underline{\underline{C}}\) beregnes ved hjælp af Youngs modul E (\(\text {N/m}^{2}\)) og Poissons forhold v bestemmes, så dvs. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (fjerde orden).Så spændingsberegningen bliver til \({\understregning{\sigma}} := \understregning{\understregning{C}}:{\understregning{\varepsilon}}\).
Beregningen bruger et 10-node tetraedrisk element med en elementstørrelse \(\le\) på 8 µm.Nålen modelleres i vakuum, og værdien af den overførte mekaniske mobilitet (ms-1 N-1) er defineret som \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, hvor \(\tilde{v}_y\vec {j}\) er håndstykkets output komplekse hastighed og \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) er en kompleks drivkraft placeret ved den proksimale ende af røret, som vist i figur 2b.Oversæt den mekaniske fluiditet i decibel (dB) med den maksimale værdi som reference, dvs. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Alle FEM-undersøgelser blev udført med en frekvens på 29,75 kHz.
Nålens design (fig. 3) består af en konventionel 21-gauge hypodermisk nål (kat. nr. 4665643, Sterican\(^\circledR\), udvendig diameter 0,8 mm, længde 120 mm, AISI 304 rustfri krom-nikkel stål , B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Tyskland) udstyret med en plastik Luer Lock-manchet lavet af polypropylen i den proksimale ende og passende modificeret i enden.Nålerøret er loddet til bølgelederen som vist i fig. 3b.Bølgelederne blev printet på en 3D-printer af rustfrit stål (EOS 316L rustfrit stål på en EOS M 290 3D-printer, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) og derefter fastgjort til Langevin-sensoren ved hjælp af M4-bolte.Langevin-sensoren består af 8 piezoelektriske ringelementer belastet i begge ender med to masser.
De fire typer spidser (foto), en kommercielt tilgængelig lancet (L) og tre fremstillede aksesymmetriske enkelttrinsfasninger (AX1-3) var karakteriseret ved affasningslængder (BL) på henholdsvis 4, 1,2 og 0,5 mm.(a) Nærbillede af den færdige nålespids.(b) Set ovenfra af fire stifter loddet til den 3D-printede bølgeleder og derefter forbundet til Langevin-sensoren med M4-bolte.
Tre aksesymmetriske skråspidser (fig. 3) blev fremstillet (TAs Machine Tools Oy) med skrålængder (BL, som defineret i fig. 2a) på 4,0, 1,2 og 0,5 mm, svarende til \(\ca.) 2 \(^ \ circ\), henholdsvis 7\(^\circ\) og 18\(^\circ\).Massen af bølgelederen og nålen er 3,4 ± 0,017 g (gennemsnit ± sd, n = 4) for affasninger L og AX1-3, henholdsvis (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Tyskland) .For L og AX1-3 affasningerne i figur 3b var den samlede længde fra nålespidsen til enden af plastikhylsteret henholdsvis 13,7, 13,3, 13,3 og 13,3 cm.
For alle nålekonfigurationer var længden fra spidsen af nålen til spidsen af bølgelederen (dvs. til svejseområdet) 4,3 cm, og nålerøret var orienteret med snittet opad (dvs. parallelt med Y-aksen) , som vist på figuren.c (fig. 2).
Et brugerdefineret script i MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA), der kører på en computer (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) blev brugt til at generere et lineært sinusformet sweep fra 25 til 35 kHz i 7 sekunder, passerer En digital-til-analog (DA)-konverter (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA) konverterer til et analogt signal.Det analoge signal \(V_0\) (0,5 Vp-p) blev derefter forstærket med en dedikeret radiofrekvens (RF) forstærker (Mariachi Oy, Turku, Finland).Faldende forstærket spænding \({V_I}\) fra RF-forstærkeren med en udgangsimpedans på 50 ohm føres til en transformer indbygget i nålestrukturen med en indgangsimpedans på 50 ohm.Langevin-transducere (forreste og bagerste kraftige flerlags piezoelektriske transducere) bruges til at generere mekaniske bølger.Den brugerdefinerede RF-forstærker er udstyret med en dual-channel standing wave power factor (SWR) meter, der registrerer hændelsen \({V_I}\) og reflekteret forstærket spænding\(V_R\) i analog-til-digital (AD)-tilstand.med en samplinghastighed på 300 kHz Converter (analog Discovery 2).Excitationssignalet er amplitudemoduleret i begyndelsen og i slutningen for at forhindre overbelastning af forstærkerens input med transienter.
Ved at bruge et brugerdefineret script implementeret i MATLAB blev frekvensresponsfunktionen (FRF), dvs. \(\tilde{H}(f)\), estimeret offline ved hjælp af en to-kanals sinusformet sweep-målingsmetode (fig. 4), som forudsætter linearitet i tid.invariant system.Derudover anvendes et 20 til 40 kHz båndpasfilter for at fjerne eventuelle uønskede frekvenser fra signalet.Med henvisning til teorien om transmissionsledninger er \(\tilde{H}(f)\) i dette tilfælde ækvivalent med spændingsreflektionskoefficienten, dvs. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) falder til \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) er lig med \(|\rho _{V}|^2\).I tilfælde, hvor der kræves absolutte elektriske effektværdier, beregnes indfaldseffekt \(P_I\) og reflekteret effekt \(P_R\) effekt (W) ved at tage rms-værdien (rms) af den tilsvarende spænding, for eksempel.for en transmissionslinje med sinusformet excitation \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, hvor \(Z_0\) er lig med 50 \(\Omega\).Den elektriske effekt, der leveres til belastningen \(P_T\) (dvs. det indsatte medium) kan beregnes som \(|P_I – P_R |\) (W RMS), såvel som effektoverførselseffektiviteten (PTE) og procentdelen ( %) kan bestemmes, hvordan formen er givet, så 27:
De nåleformede modale frekvenser \(f_{1-3}\) (kHz) og deres tilsvarende effektoverførselsfaktorer \(\text {PTE}_{1{-}3} \) estimeres derefter ved hjælp af FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) estimeret direkte fra \(\text {PTE}_{1{-}3}\), fra tabel 1 A ensidet lineært spektrum opnås ved den beskrevne modale frekvens \(f_{1-3}\).
Måling af frekvensrespons (AFC) af nålestrukturer.En sinusformet to-kanals sweep-måling25,38 bruges til at opnå frekvensresponsfunktionen \(\tilde{H}(f)\) og dens impulsrespons H(t).\({\mathcal {F}}\) og \({\mathcal {F}}^{-1}\) repræsenterer henholdsvis Fourier-transformationen af digital trunkering og dens inverse.\(\tilde{G}(f)\) betyder produktet af to signaler i frekvensdomænet, f.eks. \(\tilde{G}_{XrX}\) betyder det inverse scanningsprodukt\(\tilde{ X} r (f)\ ) og faldspænding henholdsvis \(\tilde{X}(f)\).
Som vist i figur 5 er højhastighedskameraet (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) udstyret med et makroobjektiv (MP-E 65mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokyo, Japan), til at registrere spidsafbøjninger under bøjningsexcitation (enkeltfrekvens, kontinuerlig sinusformet) ved frekvenser på 27,5-30 kHz.For at skabe et skyggekort blev et afkølet element af en hvid LED med høj intensitet (varenummer: 4052899910881, hvid LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Tyskland) placeret bag spidsen af nålen.
Set forfra af forsøgsopstillingen.Dybden måles fra mediets overflade.Nålestrukturen er fastspændt og monteret på et motoriseret overføringsbord.Brug et højhastighedskamera med et objektiv med høj forstørrelse (5\(\x\)) til at måle skrå vinkelafvigelse.Alle mål er i millimeter.
For hver type nåleaffasning optog vi 300 billeder af et højhastighedskamera, der måler 128 \(\x\) 128 pixels, hver med en rumlig opløsning på 1/180 mm (\(\ca.) 5 µm), med en tidsmæssig opløsning på 310.000 billeder i sekundet.Som vist i figur 6 er hver ramme (1) beskåret (2), således at spidsen af nålen er i den sidste linje (nederst) af rammen, og histogrammet af billedet (3) beregnes, så Canny tærskler på 1 og 2 kan bestemmes.Anvend derefter Canny edge-detektion 28(4) med Sobel-operator 3 \(\times\) 3 og beregn positioner for ikke-hypotenuse-pixel (mærket \(\mathbf {\times }\)) uden kavitation 300 tidstrin.For at bestemme rækkevidden af spidsafbøjning skal du beregne den afledede (ved hjælp af den centrale differensalgoritme) (6) og bestemme den ramme (7), der indeholder de lokale ekstremer (dvs. spidsværdien) af afbøjningen.Efter en visuel inspektion af den kavitationsfri kant blev et par rammer (eller to rammer med et interval på halvtid) udvalgt (7), og spidsens afbøjning blev målt (betegnet som \(\mathbf {\times } \) ).Ovenstående er implementeret i Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) ved hjælp af OpenCV Canny edge-detektionsalgoritmen (v4.5.1, open source computer vision library, opencv.org).Til sidst beregnes afbøjningseffektfaktoren (DPR, µm/W) som forholdet mellem spids-til-spids-afbøjningen og den transmitterede elektriske effekt \(P_T\) (Wrms).
Ved hjælp af en 7-trins algoritme (1-7), inklusive beskæring (1-2), Canny edge-detektion (3-4), beregning, måles pixelpositionen af spidsafbøjningskanten ved hjælp af en række billeder taget fra en høj- fartkamera ved 310 kHz ( 5) og dets tidsafledte (6), og endelig måles spidsafbøjningsområdet på visuelt kontrollerede par af rammer (7).
Målt i luft (22,4-22,9°C), deioniseret vand (20,8-21,5°C) og 10% (w/v) vandig ballistisk gelatine (19,7-23,0°C , \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Kvæg- og svineknoglegelatine til type I ballistisk analyse, Honeywell International, North Carolina, USA).Temperaturen blev målt med en K-type termoelementforstærker (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) og et K-type termoelement (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Brug et lodret motoriseret Z-akse-trin (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litauen) til at måle dybden fra medieoverfladen (indstillet som udgangspunktet for Z-aksen) med en opløsning på 5 µm pr. trin.
Da stikprøvestørrelsen var lille (n = 5), og normalitet ikke kunne antages, blev den to-stikprøvede to-halede Wilcoxon rangsumtest (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) brugt. for at sammenligne mængden af varians nålespids for forskellige affasninger.Der blev foretaget tre sammenligninger for hver hældning, så der blev anvendt en Bonferroni-korrektion med et justeret signifikansniveau på 0,017 og en fejlrate på 5%.
Der henvises til fig. 7 nedenfor.Ved 29,75 kHz er den buede halve bølgelængde (\(\lambda _y/2\)) af en 21-gauge nål \(\ca.) 8 mm.Bøjningsbølgelængden aftager langs skråningen, når den nærmer sig spidsen.Ved spidsen \(\lambda _y/2\) er der trinformede affasninger på henholdsvis 3, 1 og 7 mm for almindelige lancetter (a), asymmetrisk (b) og aksesymmetrisk (c).Det betyder således, at lancetten vil afvige med \(\ca.\) 5 mm (på grund af at lancettens to planer danner et punkt på 29,30), den asymmetriske hældning vil variere med 7 mm, og den symmetriske hældning med 1 mm.Aksysymmetriske skråninger (tyngdepunktet forbliver det samme, så kun vægtykkelsen ændres faktisk langs skråningen).
Anvendelse af FEM-studiet ved 29,75 kHz og ligningen.(1) Beregn bøjningshalvbølgeændringen (\(\lambda _y/2\)) for lancet (a), asymmetrisk (b) og aksesymmetrisk (c) skrå geometri (som i fig. 1a,b,c).).Den gennemsnitlige \(\lambda_y/2\) for lancet-, asymmetriske og aksesymmetriske hældninger er henholdsvis 5,65, 5,17 og 7,52 mm.Bemærk, at spidstykkelsen for asymmetriske og aksesymmetriske affasninger er begrænset til \(\ca.) 50 µm.
Maksimal mobilitet \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) er en kombination af optimal rørlængde (TL) og hældningslængde (BL) (fig. 8, 9).For en konventionel lancet, da dens størrelse er fast, er den optimale TL \(\ca.\) 29,1 mm (fig. 8).For asymmetriske og aksesymmetriske hældninger (henholdsvis fig. 9a, b) inkluderede FEM-undersøgelsen BL fra 1 til 7 mm, så de optimale TL-intervaller var fra 26,9 til 28,7 mm (interval 1,8 mm) og fra 27,9 til 29,2 mm (interval 1,3 mm).) ), henholdsvis.For asymmetriske skråninger (fig. 9a) steg den optimale TL lineært og nåede et plateau ved BL 4 mm og faldt derefter kraftigt fra BL 5 til 7 mm.For aksesymmetriske hældninger (fig. 9b) øges den optimale TL lineært med BL-forlængelse og stabiliseres til sidst ved BL fra 6 til 7 mm.En udvidet undersøgelse af aksesymmetriske skråninger (fig. 9c) viste et andet sæt af optimale TL'er placeret ved \(\ca.) 35,1-37,1 mm.For alle BL'er er afstanden mellem to sæt optimale TL'er \(\ca.\) 8 mm (svarende til \(\lambda _y/2\)).
Lancet-transmissionsmobilitet ved 29,75 kHz.Nålerøret blev bøjet ved en frekvens på 29,75 kHz, vibrationen blev målt ved enden og udtrykt som mængden af transmitteret mekanisk mobilitet (dB i forhold til den maksimale værdi) for TL 26,5-29,5 mm (0,1 mm trin).
Parametriske undersøgelser af FEM ved en frekvens på 29,75 kHz viser, at overførselsmobiliteten af den aksesymmetriske spids er mindre påvirket af ændringer i længden af røret end dens asymmetriske modstykke.Faslængde (BL) og rørlængde (TL) undersøgelser for asymmetriske (a) og aksesymmetriske (b, c) affasningsgeometrier i frekvensdomæneundersøgelser ved brug af FEM (grænsebetingelser er vist i figur 2).(a, b) TL varierede fra 26,5 til 29,5 mm (0,1 mm trin) og BL 1-7 mm (0,5 mm trin).(c) Udvidet aksesymmetrisk skrå vinkelundersøgelse inklusive TL 25-40 mm (0,05 mm trin) og 0,1-7 mm (0,1 mm trin), som afslører det ønskede forhold \(\lambda_y/2\) Løst bevægelige grænsebetingelser for en spids er opfyldt.
Nålestrukturen har tre naturlige frekvenser \(f_{1-3}\) opdelt i lav-, mellem- og højmodale regioner som vist i tabel 1. PTE-størrelsen er vist i figur 10 og derefter analyseret i figur 11. Nedenfor ses resultater for hvert modalt område:
Typiske registrerede øjeblikkelige kraftoverførselseffektivitet (PTE) amplituder opnået ved brug af sinusformet excitation med swept frekvens i en dybde på 20 mm for en lancet (L) og aksesymmetriske skråninger AX1-3 i luft, vand og gelatine.Der vises et ensidigt spektrum.Den målte frekvensrespons (300 kHz sample rate) blev lavpasfiltreret og derefter nedsamplet med en faktor 200 til modal analyse.Signal-til-støj-forholdet er \(\le\) 45 dB.PTE-fasen (lilla stiplet linje) vises i grader (\(^{\circ}\)).
Den modale responsanalyse er vist i figur 10 (gennemsnit ± standardafvigelse, n = 5) for L- og AX1-3-skråningerne i luft, vand og 10 % gelatine (20 mm dybde) med (øverste) tre modale områder (lave) , medium, høj).), og deres tilsvarende modale frekvenser\(f_{1-3}\) (kHz), (gennemsnitlig) energieffektivitet\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) bruger designligninger.(4) og (nederst) er den fulde bredde ved halvdelen af den maksimalt målte værdi henholdsvis \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Bemærk, at når der optages en lav PTE, dvs. i tilfælde af en AX2-hældning, udelades båndbreddemålingen, \(\text {FWHM}_{1}\).\(f_2\)-tilstanden anses for at være den mest velegnede til at sammenligne afbøjningen af skrå planer, da den viser det højeste niveau af effektoverførselseffektivitet (\(\text {PTE}_{2}\)), op til 99 %.
Første modale område: \(f_1\) afhænger ikke meget af den medietype, der er indsat, men afhænger af skrågeometrien.\(f_1\) aftager med aftagende skrålængde (henholdsvis 27,1, 26,2 og 25,9 kHz for AX1-3 i luft).De regionale gennemsnit \(\text {PTE}_{1}\) og \(\text {FWHM}_{1}\) er henholdsvis \(\approx\) 81 % og 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) var det højeste indhold af gelatine fra Lancet (L, 473 Hz).Bemærk, at \(\text {FWHM}_{1}\) for AX2 i gelatine ikke kan estimeres på grund af den lave størrelse af de rapporterede frekvensresponser.
Det andet modale område: \(f_2\) afhænger af typen af pasta og skråmedie.I luft, vand og gelatine er de gennemsnitlige \(f_2\) værdier henholdsvis 29,1, 27,9 og 28,5 kHz.PTE for denne modale region nåede også 99 %, den højeste blandt alle målegrupper, med et regionalt gennemsnit på 84 %.Områdegennemsnittet \(\text {FWHM}_{2}\) er \(\approx\) 910 Hz.
Tredje modal region: \(f_3\) Frekvensen afhænger af typen af indføringsmedie og affasning.Gennemsnitlige \(f_3\) værdier er 32,0, 31,0 og 31,3 kHz i henholdsvis luft, vand og gelatine.\(\text {PTE}_{3}\) har et regionalt gennemsnit på \(\ca.\) 74 %, det laveste af enhver region.Det regionale gennemsnit \(\text {FWHM}_{3}\) er \(\ca.\) 1085 Hz, hvilket er højere end det første og andet område.
Det følgende henviser til fig.12 og tabel 2. Lancetten (L) afbøjede mest (med høj signifikans for alle spidser, \(p<\) 0,017) i både luft og vand (fig. 12a), og opnåede den højeste DPR (op til 220 µm/ W i luften). 12 og tabel 2. Lancetten (L) afbøjede mest (med høj signifikans for alle spidser, \(p<\) 0,017) i både luft og vand (fig. 12a), og opnåede den højeste DPR (op til 220 µm/ W i luften). Следующее относится к рисунку 12 og таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего для высоюце ов, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Følgende gælder for figur 12 og tabel 2. Lancet (L) afbøjede mest (med høj signifikans for alle spidser, \(p<\) 0,017) i både luft og vand (fig. 12a), hvilket opnåede den højeste DPR.(gør 220 μm/W i luft).Der henvises til figur 12 og tabel 2 nedenfor.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有高度意意义，\(0，)\(0，)\0最高DPR （空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) har den højeste afbøjning i luft og vand (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), og opnåede den højeste DPR (op til µm/220) W i luften). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) воздивос амого высокого DPR (op til 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) har den største afvigelse (meget signifikant for alle spidser, \(p<\) 0,017) i luft og vand (fig. 12a), og når den højeste DPR (op til 220 µm/W i luft). I luft afbøjede AX1, som havde højere BL, højere end AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), mens AX3 (som havde laveste BL) afbøjede mere end AX2 med en DPR på 190 µm/W. I luft afbøjede AX1, som havde højere BL, højere end AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), mens AX3 (som havde laveste BL) afbøjede mere end AX2 med en DPR på 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), мкада когда (bl.) онялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft afbøjede AX1 med højere BL højere end AX2–3 (med signifikans \(p<\) 0,017), hvorimod AX3 (med laveste BL) afbøjede mere end AX2 med 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）．转倅转大于AX2，DPR 为190 µm/W. I luft er afbøjningen af AX1 med højere BL højere end for AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), og afbøjningen af AX3 (med laveste BL) er højere end for AX2, DPR er 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), мкагда (мк ет большее отклонение, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft har AX1 med højere BL større afvigelse end AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), hvorimod AX3 (med laveste BL) har større afvigelse end AX2 med DPR på 190 μm/W. I vand ved 20 mm blev der ikke fundet signifikante forskelle (\(p>\) 0,017) i nedbøjning og PTE for AX1-3. I vand ved 20 mm blev der ikke fundet signifikante forskelle (\(p>\) 0,017) i nedbøjning og PTE for AX1-3. В воде на глубине 20 мм достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ФТР для AX1–3 не обнаружено. I vand i en dybde på 20 mm blev signifikante forskelle (\(p>\) 0,017) i afbøjning og FTR påvist for AX1-3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 I 20 mm vand var der ingen signifikant forskel mellem AX1-3 og PTE (\(p>\) 0,017). For 20 mm hastighed og PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). Ved en dybde på 20 mm afveg afbøjningen og PTE AX1-3 ikke signifikant (\(p>\) 0,017).Niveauerne af PTE i vand (90,2-98,4%) var generelt højere end i luft (56-77,5%) (fig. 12c), og fænomenet kavitation blev bemærket under forsøget i vand (fig. 13, se også yderligere) Information).
Spidsbøjningsamplitudemålinger (middel ± standardafvigelse, n = 5) for L og AX1-3 affasninger i luft og vand (dybde 20 mm) afslørede effekten af at ændre affasningsgeometrien.Målingerne opnås ved anvendelse af kontinuerlig sinusformet excitation med enkelt frekvens.(a) Topafvigelse (\(u_y\vec {j}\)) ved toppunktet, målt ved (b) deres respektive modale frekvenser \(f_2\).(c) Effekttransmissionseffektivitet (PTE, rms, %) som en ligning.(4) og (d) Afvigelseseffektfaktor (DPR, µm/W) beregnet som spidsafvigelse og sendeeffekt \(P_T\) (Wrms).
Typisk skyggeplot af et højhastighedskamera, der viser den totale afbøjning af lancetspidsen (grønne og røde stiplede linjer) af lancetten (L) og den aksesymmetriske spids (AX1-3) i vand (dybde 20 mm), halvcyklus, kørselsfrekvens \(f_2\) (frekvens 310 kHz sampling).Det optagne gråtonebillede har dimensioner på 128×128 pixels med en pixelstørrelse på \(\ca.) 5 µm.Video kan findes i yderligere information.
Således modellerede vi ændringen i bøjningsbølgelængde (fig. 7) og beregnede den mekaniske mobilitet til overførsel for konventionelle lancetformede, asymmetriske og aksiale kombinationer af rørlængde og affasning (fig. 8, 9).Symmetrisk affaset geometri.Baseret på sidstnævnte estimerede vi den optimale spids-til-svejseafstand til at være 43 mm (eller \(\approx\) 2,75\(\lambda_y\) ved 29,75 kHz) som vist i figur 5, og fremstillede tre aksesymmetriske affasninger med forskellige affasningslængder.Vi karakteriserede derefter deres frekvensrespons sammenlignet med konventionelle lancetter i luft, vand og 10 % (vægt/volumen) ballistisk gelatine (figur 10, 11) og bestemte det bedste tilfælde for sammenligning af hældningsafbøjningstilstand.Til sidst målte vi spidsafbøjning ved at bøje bølge i luft og vand i en dybde på 20 mm og kvantificerede effektoverførselseffektiviteten (PTE, %) og afbøjningseffektfaktoren (DPR, µm/W) af det injicerede medium for hver tilt.type (fig. 12).
Resultaterne viser, at geometriens hældningsakse påvirker amplitudeafvigelsen af spidsaksen.Lancetten havde den højeste krumning og også den højeste DPR sammenlignet med den aksesymmetriske affasning, mens den aksesymmetriske affasning havde en mindre middelafvigelse (fig. 12). Den aksesymmetriske 4 mm affasning (AX1) med den længste affasningslængde opnåede statistisk signifikant højeste afbøjning i luft (\(p < 0,017\), tabel 2), sammenlignet med andre aksesymmetriske nåle (AX2–3), men ingen signifikante forskelle blev observeret, når nålen blev anbragt i vand. Den aksesymmetriske 4 mm affasning (AX1) med den længste affasningslængde opnåede statistisk signifikant højeste afbøjning i luft (\(p < 0,017\), tabel 2), sammenlignet med andre aksesymmetriske nåle (AX2–3), men ingen signifikante forskelle blev observeret, når nålen blev anbragt i vand. Осесимметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статистически значимого наишвеголь p <0,017\), таблица 2) по сравнению с другими осесимметричными иглами (AX2–3). Aksysymmetrisk affasning 4 mm (AX1), der har den længste affasningslængde, opnåede en statistisk signifikant større afvigelse i luft (\(p < 0,017\), tabel 2) sammenlignet med andre aksesymmetriske nåle (AX2-3).men signifikante forskelle blev ikke observeret ved placering af nålen i vand.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 斜角䘭丒(AX1) 在縰庰着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时，没有观察到显着差异. Sammenlignet med andre aksialsymmetriske nåle (AX2-3) har den den længste skrå vinkel på 4 mm aksialsymmetrisk (AX1) i luften, og den har opnået statistisk signifikant maksimal afbøjning (\(p < 0,017\), tabel 2) , men når nålen blev anbragt i vand, blev der ikke observeret nogen signifikant forskel. Осесимметричный скос 4 мм (AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает статистически значимое максимальноз равнению с другими осесимметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), но существенной ралненицы. Den aksesymmetriske hældning med den længste hældningslængde på 4 mm (AX1) gav en statistisk signifikant maksimal afvigelse i luft sammenlignet med de øvrige aksesymmetriske hældninger (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabel 2), men der var ingen væsentlig forskel.ses, når nålen placeres i vand.En længere affasningslængde har således ingen åbenlyse fordele med hensyn til spidsspidsafbøjning.Tages dette i betragtning, viser det sig, at hældningsgeometrien, som er undersøgt i denne undersøgelse, har større indflydelse på amplitudeafbøjningen end hældningslængden.Dette kan relateres til bøjningsstivhed, for eksempel afhængigt af materialet, der bøjes, og den samlede tykkelse af konstruktionsnålen.
I eksperimentelle undersøgelser påvirkes størrelsen af den reflekterede bøjningsbølge af spidsens randbetingelser.Når nålespidsen blev indsat i vand og gelatine, havde \(\text {PTE}_{2}\) et gennemsnit på \(\approx\) 95 % og \(\text {PTE}_{2}\) gennemsnittet af værdierne er henholdsvis 73 % og 77 % (\text {PTE}_{1}\) og \(\text {PTE}_{3}\) (fig. 11).Dette indikerer, at den maksimale overførsel af akustisk energi til støbemediet (f.eks. vand eller gelatine) sker ved \(f_2\).Lignende adfærd blev observeret i en tidligere undersøgelse, der brugte enklere enhedsstrukturer ved frekvenser på 41-43 kHz, hvor forfatterne demonstrerede spændingsreflektionskoefficienten forbundet med det mekaniske modul af det interkalerede medium.Indtrængningsdybden32 og vævets mekaniske egenskaber giver en mekanisk belastning på nålen og forventes derfor at påvirke UZeFNAB's resonansadfærd.Derfor kan resonanssporingsalgoritmer såsom 17, 18, 33 bruges til at optimere styrken af den lyd, der leveres gennem pennen.
Bøjningsbølgelængdemodellering (fig. 7) viser, at aksesymmetrisk har højere strukturel stivhed (dvs. højere bøjningsstivhed) ved spidsen end lancet og asymmetrisk affasning.Afledt af (1) og ved hjælp af det kendte hastighed-frekvensforhold estimerer vi bøjningsstivheden af lancetten, asymmetriske og aksesymmetriske spidser som hældninger \(\ca.) henholdsvis 200, 20 og 1500 MPa.Dette svarer til (\lambda _y\) henholdsvis 5,3, 1,7 og 14,2 mm ved 29,75 kHz (fig. 7a–c).I betragtning af den kliniske sikkerhed af USeFNAB-proceduren skal geometriens indflydelse på stivheden af skrådesignet evalueres34.
Undersøgelsen af parametrene for affasningen og længden af røret (fig. 9) viste, at det optimale TL-område for den asymmetriske (1,8 mm) var højere end for den aksesymmetriske affasning (1,3 mm).Derudover varierer mobilitetsplateauet fra 4 til 4,5 mm og fra 6 til 7 mm for henholdsvis asymmetrisk og aksesymmetrisk hældning (fig. 9a, b).Den praktiske relevans af dette fund er udtrykt i fremstillingstolerancer, for eksempel kan et lavere interval af optimal TL indebære et behov for højere længdenøjagtighed.Samtidig giver udbytteplatformen en større tolerance for valg af skråningslængde ved en given frekvens uden at påvirke udbyttet væsentligt.
Undersøgelsen omfatter følgende begrænsninger.Direkte måling af nåleafbøjning ved hjælp af kantdetektion og højhastighedsbilleddannelse (Figur 12) betyder, at vi er begrænset til optisk transparente medier såsom luft og vand.Vi vil også gerne påpege, at vi ikke brugte eksperimenter til at teste den simulerede overførselsmobilitet og omvendt, men brugte FEM-studier til at bestemme den optimale længde af den fremstillede nål.Ud fra praktiske begrænsninger er lancettens længde fra spids til ærme 0,4 cm længere end andre nåle (AX1-3), se fig.3b.Dette kan have påvirket den modale reaktion af den nåleformede struktur.Derudover kan formen og volumenet af bølgeleder-loddet (se figur 3) påvirke den mekaniske impedans af stiftdesignet, hvilket resulterer i fejl i mekanisk impedans og bøjningsadfærd.
Endelig har vi eksperimentelt demonstreret, at affasningsgeometrien påvirker mængden af afbøjning i USeFNAB.I situationer, hvor en højere afbøjningsamplitude kan have en positiv effekt på nålens effekt på vævet, for eksempel skæreeffektivitet efter punktering, kan en konventionel lancet anbefales til USeFNAB, da den giver den største afbøjningsamplitude samtidig med, at den bevarer tilstrækkelig stivhed i spidsen af designet.Derudover har en nylig undersøgelse vist, at større spidsafbøjning kan forstærke biologiske effekter såsom kavitation, hvilket kan hjælpe med at udvikle applikationer til minimalt invasive kirurgiske indgreb.I betragtning af at stigende total akustisk kraft har vist sig at øge biopsiudbyttet fra USeFNAB13, er yderligere kvantitative undersøgelser af prøveudbytte og kvalitet nødvendige for at vurdere den detaljerede kliniske fordel ved den undersøgte nålegeometri.
Frable, WJ Finnålsaspirationsbiopsi: en anmeldelse.Humph.Syg.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Indlægstid: 13-okt-2022