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Recientemente se ha demostrado que el uso de ultrasonido aumenta el rendimiento tisular en la aspiración con aguja fina asistida por ultrasonido (USeFNAB) en comparación con la aspiración con aguja fina convencional (PAAF).Hasta la fecha, la relación entre la geometría del bisel y el movimiento de la punta no se ha estudiado en profundidad.En este estudio, investigamos las propiedades de la resonancia de la aguja y la amplitud de deflexión para varias geometrías de bisel de aguja con diferentes longitudes de bisel.Utilizando una lanceta biselada convencional de 3,9 mm, el factor de potencia de desviación de la punta (DPR) en aire y agua fue de 220 y 105 µm/W, respectivamente.Esto es más alto que la punta biselada axisimétrica de 4 mm, proporcionando 180 y 80 µm/W DPR en aire y agua, respectivamente.Este estudio resalta la importancia de la relación entre la rigidez a la flexión de la geometría del bisel en el contexto de diferentes medios de inserción y, por lo tanto, puede proporcionar información sobre los métodos para controlar la acción de corte posterior a la perforación cambiando la geometría del bisel de la aguja, lo cual es importante.para una aplicación USeFNAB es fundamental.
La biopsia por aspiración con aguja fina (PAAF) es un método para obtener muestras de tejido para sospecha de patología1,2,3 utilizando una aguja.Se ha demostrado que la punta Franseen proporciona un mayor rendimiento de diagnóstico que las puntas de lanceta4 y Menghini5 convencionales.También se sugiere que las pendientes axisimétricas (es decir, circunferenciales) aumenten la probabilidad de obtener muestras histopatológicamente adecuadas.
Durante una biopsia, se pasa una aguja a través de capas de piel y tejido para acceder a las lesiones sospechosas.Estudios recientes han demostrado que el ultrasonido puede reducir la fuerza de penetración necesaria para acceder a los tejidos blandos7,8,9,10.Se ha demostrado que la geometría del bisel de la aguja afecta las fuerzas de interacción de la aguja; por ejemplo, se ha demostrado que los biseles más largos tienen menores fuerzas de penetración en el tejido11.Después de que la aguja ha penetrado la superficie del tejido, es decir, después de la punción, la fuerza de corte de la aguja puede ser el 75% de la fuerza de interacción de la aguja con el tejido12.Se ha demostrado que en la fase pospunción la ecografía (ultrasonido) aumenta la eficacia de la biopsia diagnóstica de tejidos blandos.Se han desarrollado otras técnicas de biopsia ósea mejoradas por ultrasonido para tomar muestras de tejido duro, pero no se han informado resultados que mejoren el rendimiento de la biopsia.Numerosos estudios también han confirmado que el desplazamiento mecánico aumenta cuando se somete a estrés ultrasónico16,17,18.Si bien existen muchos estudios sobre las fuerzas estáticas axiales (longitudinales) en las interacciones aguja-tejido19,20, existen estudios limitados sobre la dinámica temporal y la geometría del bisel de la aguja bajo FNAB ultrasónica (USeFNAB).
El objetivo de este estudio fue investigar el efecto de diferentes geometrías de bisel en el movimiento de la punta de una aguja impulsada por flexión ultrasónica.En particular, investigamos el efecto del medio de inyección sobre la desviación de la punta de la aguja después de la punción para biseles de agujas tradicionales (es decir, agujas USeFNAB para diversos fines, como aspiración selectiva o adquisición de tejidos blandos).
En este estudio se incluyeron varias geometrías de bisel.(a) La especificación Lancet cumple con la norma ISO 7864:201636 donde \(\alpha\) es el bisel primario, \(\theta\) es el ángulo de rotación del bisel secundario y \(\phi\) es el bisel secundario ángulo., al girar, en grados (\(^\circ\)).(b) Chaflanes lineales asimétricos de un solo paso (llamados “estándar” en DIN 13097:201937) y (c) Chaflanes lineales axisimétricos (circunferenciales) de un solo paso.
Nuestro enfoque comienza modelando el cambio en la longitud de onda de flexión a lo largo del bisel para geometrías de bisel de una sola etapa, simétricas y asimétricas y de lanceta convencionales.Luego calculamos un estudio paramétrico para examinar el efecto de la pendiente y la longitud de la tubería sobre la fluidez mecánica de la transferencia.Esto es necesario para determinar la longitud óptima para fabricar un prototipo de aguja.A partir de la simulación se realizaron prototipos de agujas y se caracterizó experimentalmente su comportamiento resonante midiendo los coeficientes de reflexión de voltaje y calculando la eficiencia de transferencia de potencia en aire, agua y gelatina balística al 10% (p/v), a partir de los cuales se determinó la frecuencia de operación. .Finalmente, las imágenes de alta velocidad se utilizan para medir directamente la desviación de la onda de flexión en la punta de la aguja en el aire y el agua, así como para estimar la potencia eléctrica entregada en cada ángulo oblicuo y la geometría de la relación de potencia de desviación ( DPR) al medio inyectado..
Como se muestra en la Figura 2a, utilice un tubo de calibre 21 (0,80 mm de diámetro exterior, 0,49 mm de diámetro interior, espesor de pared del tubo de 0,155 mm, pared estándar) para definir el tubo de la aguja con la longitud del tubo (TL) y el ángulo de bisel (BL) de acuerdo con ISO 9626:201621) en acero inoxidable 316 (módulo de Young 205 \(\text {GN/m}^{2}\), densidad 8070 kg/m\(^{3}\) y relación de Poisson 0,275).
Determinación de la longitud de onda de flexión y sintonización del modelo de elementos finitos (FEM) para condiciones de aguja y de contorno.(a) Determinación de la longitud del bisel (BL) y la longitud de la tubería (TL).(b) Modelo de elementos finitos (FEM) tridimensional (3D) que utiliza una fuerza puntual armónica \(\tilde{F}_y\vec {j}\) para impulsar la aguja proximalmente, desviar la punta y medir la velocidad en el tip (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) para calcular la transferencia de fluidez mecánica.\(\lambda _y\) se define como la longitud de onda de flexión relativa a la fuerza vertical \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definiciones del centro de gravedad, el área de la sección transversal A y los momentos de inercia \(I_{xx}\) y \(I_{yy}\) alrededor de los ejes x e y, respectivamente.
Como se muestra en la fig.2b,c, para un haz infinito (infinito) con un área de sección transversal A y una longitud de onda mayor que el tamaño de la sección transversal del haz, la velocidad de fase doblada (o doblada) \( c_{EI }\) está determinada por 22 :
donde E es el módulo de Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) es la frecuencia angular de excitación (rad/s), donde \( f_0 \ ) es la frecuencia lineal (1/s o Hz), I es el momento de inercia del área alrededor del eje de interés\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) es la masa en unidad de longitud (kg/m), donde \(\rho _0\) es la densidad\((\text {kg/m}^{3})\) y A es la cruz sección del área de la viga (plano xy) (\(\ text {m}^{2}\)).Dado que la fuerza aplicada en nuestro ejemplo es paralela al eje y vertical, es decir \(\tilde{F}_y\vec {j}\), solo nos interesa el momento de inercia regional alrededor del eje x horizontal, es decir \(I_{xx}\), entonces:
Para el modelo de elementos finitos (FEM), se supone un desplazamiento armónico puro (m), por lo que la aceleración (\(\text {m/s}^{2}\)) se expresa como \(\partial ^2 \vec { u}/ \ parcial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) como \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) es un vector de desplazamiento tridimensional dado en coordenadas espaciales.En lugar de esto último, de acuerdo con su implementación en el paquete de software COMSOL Multiphysics (versiones 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, EE. UU.), la forma lagrangiana de deformación finita de la ley de equilibrio de momento se da de la siguiente manera:
donde \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) es el operador de divergencia del tensor, \({\underline{\sigma}}\) es el segundo tensor de tensión de Piola-Kirchhoff (segundo orden, \(\ text { N/ m}^{2}\)) y \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) es el vector de fuerza del cuerpo (\(\text {N/m}^{3}\)) para cada volumen deformado, y \(e^{j\phi }\) es el vector de ángulo de fase\(\ phi \ ) ( contento).En nuestro caso, la fuerza de volumen del cuerpo es cero, nuestro modelo asume linealidad geométrica y una pequeña deformación puramente elástica, es decir, donde \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) y \({\underline {\varepsilon}}\) son la deformación elástica y la deformación total (segundo orden, adimensional), respectivamente.El tensor de elasticidad isotrópico constitutivo de Hooke \(\underline{\underline{C}}\) se calcula utilizando el módulo de Young E (\(\text {N/m}^{2}\)) y se determina la relación de Poisson v, por lo que es decir \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (cuarto orden).Entonces el cálculo del estrés se convierte en \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
El cálculo utiliza un elemento tetraédrico de 10 nodos con un tamaño de elemento \(\le\) de 8 µm.La aguja se modela en el vacío y el valor de la movilidad mecánica transferida (ms-1 N-1) se define como \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, donde \(\tilde{v}_y\vec {j}\) es la velocidad compleja de salida de la pieza de mano y \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) es una fuerza impulsora compleja ubicada en el extremo proximal del tubo, como se muestra en la Figura 2b.Traduce la fluidez mecánica en decibeles (dB) usando el valor máximo como referencia, es decir \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Todos los estudios FEM se realizaron a una frecuencia de 29,75 kHz.
El diseño de la aguja (Fig. 3) consta de una aguja hipodérmica convencional de calibre 21 (n.º de cat. 4665643, Sterican\(^\circledR\), diámetro exterior 0,8 mm, longitud 120 mm, acero inoxidable AISI 304 de cromo-níquel. steel, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Alemania) equipado con un manguito plástico Luer Lock hecho de polipropileno en el extremo proximal y convenientemente modificado en el extremo.El tubo de la aguja está soldado a la guía de ondas como se muestra en la Fig. 3b.Las guías de ondas se imprimieron en una impresora 3D de acero inoxidable (acero inoxidable EOS 316L en una impresora 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia) y luego se fijaron al sensor Langevin mediante pernos M4.El sensor Langevin consta de 8 elementos anulares piezoeléctricos cargados en ambos extremos con dos masas.
Los cuatro tipos de puntas (foto), una lanceta disponible comercialmente (L) y tres biseles de una sola etapa con simetría axial (AX1-3) se caracterizaron por longitudes de bisel (BL) de 4, 1,2 y 0,5 mm, respectivamente.(a) Primer plano de la punta de la aguja terminada.(b) Vista superior de cuatro pines soldados a la guía de ondas impresa en 3D y luego conectados al sensor Langevin con pernos M4.
Se fabricaron tres puntas de bisel axisimétricas (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) con longitudes de bisel (BL, como se define en la Fig. 2a) de 4,0, 1,2 y 0,5 mm, correspondientes a \(\approx) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) y 18\(^\circ\) respectivamente.La masa de la guía de ondas y la aguja es 3,4 ± 0,017 g (media ± sd, n = 4) para los biseles L y AX1-3, respectivamente (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Alemania) .Para los biseles L y AX1-3 en la Figura 3b, la longitud total desde la punta de la aguja hasta el final de la funda de plástico fue de 13,7, 13,3, 13,3 y 13,3 cm, respectivamente.
Para todas las configuraciones de aguja, la longitud desde la punta de la aguja hasta la punta de la guía de ondas (es decir, hasta el área de soldadura) fue de 4,3 cm, y el tubo de la aguja se orientó con el corte hacia arriba (es decir, paralelo al eje Y). , como se muestra en la figura.c (Figura 2).
Se utilizó un script personalizado en MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, EE. UU.) que se ejecuta en una computadora (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, EE. UU.) para generar un barrido sinusoidal lineal de 25 a 35 kHz durante 7 segundos. pasando Un convertidor de digital a analógico (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, EE. UU.) convierte a una señal analógica.Luego, la señal analógica \(V_0\) (0,5 Vp-p) se amplificó con un amplificador de radiofrecuencia (RF) dedicado (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).El voltaje amplificado descendente \({V_I}\) del amplificador de RF con una impedancia de salida de 50 ohmios se alimenta a un transformador integrado en la estructura de la aguja con una impedancia de entrada de 50 ohmios.Los transductores Langevin (transductores piezoeléctricos multicapa delanteros y traseros de alta resistencia) se utilizan para generar ondas mecánicas.El amplificador de RF personalizado está equipado con un medidor de factor de potencia de onda estacionaria (SWR) de doble canal que registra el \({V_I}\) incidente y el voltaje amplificado reflejado\(V_R\) en modo analógico a digital (AD).Con una frecuencia de muestreo de 300 kHz. Convertidor (analógico Discovery 2).La señal de excitación se modula en amplitud al principio y al final para evitar sobrecargar la entrada del amplificador con transitorios.
Utilizando un script personalizado implementado en MATLAB, la función de respuesta de frecuencia (FRF), es decir \(\tilde{H}(f)\), se estimó fuera de línea utilizando un método de medición de barrido sinusoidal de dos canales (Fig. 4), que supone linealidad en el tiempo.sistema invariante.Además, se aplica un filtro de paso de banda de 20 a 40 kHz para eliminar cualquier frecuencia no deseada de la señal.Haciendo referencia a la teoría de las líneas de transmisión, en este caso \(\tilde{H}(f)\) es equivalente al coeficiente de reflexión del voltaje, es decir \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) disminuye a \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) es igual a \(|\rho _{V}|^2\).En los casos en los que se requieren valores absolutos de potencia eléctrica, la potencia incidente \(P_I\) y la potencia reflejada \(P_R\) (W) se calculan tomando el valor rms (rms) del voltaje correspondiente, por ejemplo.para una línea de transmisión con excitación sinusoidal \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, donde \(Z_0\) es igual a 50 \(\Omega\).La potencia eléctrica suministrada a la carga \(P_T\) (es decir, el medio insertado) se puede calcular como \(|P_I – P_R |\) (W RMS), así como la eficiencia de transferencia de energía (PTE) y el porcentaje ( %) se puede determinar cómo se da la forma, entonces 27:
Las frecuencias modales aciculares \(f_{1-3}\) (kHz) y sus correspondientes factores de transferencia de potencia \(\text {PTE}_{1{-}3} \) se estiman utilizando la FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) estimado directamente a partir de \(\text {PTE}_{1{-}3}\), de la Tabla 1 A unilateral El espectro lineal se obtiene a la frecuencia modal descrita \(f_{1-3}\).
Medición de la respuesta en frecuencia (AFC) de estructuras de agujas.Se utiliza una medición de barrido sinusoidal de dos canales25,38 para obtener la función de respuesta de frecuencia \(\tilde{H}(f)\) y su respuesta de impulso H(t).\({\mathcal {F}}\) y \({\mathcal {F}}^{-1}\) representan la transformada de Fourier del truncamiento digital y su inversa, respectivamente.\(\tilde{G}(f)\) significa el producto de dos señales en el dominio de la frecuencia, por ejemplo, \(\tilde{G}_{XrX}\) significa el producto de escaneo inverso\(\tilde{ X} r (f)\ ) y caída de voltaje \(\tilde{X}(f)\) respectivamente.
Como se muestra en la Figura 5, la cámara de alta velocidad (Phantom V1612, Vision Research Inc., Nueva Jersey, EE. UU.) está equipada con una lente macro (MP-E 65 mm, \(f\)/2,8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokio, Japón), para registrar las deflexiones de la punta durante la excitación por flexión (frecuencia única, sinusoide continua) a frecuencias de 27,5-30 kHz.Para crear un mapa de sombras, se colocó detrás de la punta de la aguja un elemento enfriado de un LED blanco de alta intensidad (número de pieza: 4052899910881, LED blanco, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Alemania).
Vista frontal del montaje experimental.La profundidad se mide desde la superficie del medio.La estructura de la aguja se sujeta y se monta sobre una mesa de transferencia motorizada.Utilice una cámara de alta velocidad con una lente de gran aumento (5\(\x\)) para medir la desviación del ángulo oblicuo.Todas las dimensiones estan en milimetros.
Para cada tipo de bisel de aguja, grabamos 300 fotogramas de una cámara de alta velocidad que mide 128 \(\x\) 128 píxeles, cada uno con una resolución espacial de 1/180 mm (\(\approx) 5 µm), con una Resolución temporal de 310.000 fotogramas por segundo.Como se muestra en la Figura 6, cada cuadro (1) se recorta (2) de modo que la punta de la aguja esté en la última línea (inferior) del cuadro, y se calcula el histograma de la imagen (3), de modo que Canny Se pueden determinar los umbrales de 1 y 2.Luego aplique la detección de bordes Canny 28(4) con el operador de Sobel 3 \(\times\) 3 y calcule las posiciones para los píxeles sin hipotenusa (etiquetados \(\mathbf {\times }\)) sin cavitación en 300 pasos de tiempo.Para determinar el rango de deflexión de la punta, calcule la derivada (usando el algoritmo de diferencia central) (6) y determine el marco (7) que contiene los extremos locales (es decir, el pico) de la deflexión.Después de una inspección visual del borde libre de cavitación, se seleccionó un par de marcos (o dos marcos con un intervalo de medio tiempo) (7) y se midió la deflexión de la punta (indicada como \(\mathbf {\times } \) ).Lo anterior se implementa en Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) utilizando el algoritmo de detección de bordes OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteca de visión por computadora de código abierto, opencv.org).Finalmente, el factor de potencia de deflexión (DPR, µm/W) se calcula como la relación entre la deflexión pico a pico y la potencia eléctrica transmitida \(P_T\) (Wrms).
Utilizando un algoritmo de 7 pasos (1-7), que incluye recorte (1-2), detección de bordes Canny (3-4), cálculo, mida la posición de píxeles del borde de desviación de la punta utilizando una serie de fotogramas tomados de una alta resolución. radar a 310 kHz ( 5) y su derivada temporal (6) y, finalmente, se mide el rango de desviación de la punta en pares de fotogramas (7) controlados visualmente.
Medido en aire (22,4-22,9 °C), agua desionizada (20,8-21,5 °C) y gelatina balística acuosa al 10 % (p/v) (19,7-23,0 °C , \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatina de huesos de bovino y de cerdo para análisis balístico tipo I, Honeywell International, Carolina del Norte, EE. UU.).La temperatura se midió con un amplificador de termopar tipo K (AD595, Analog Devices Inc., MA, EE. UU.) y un termopar tipo K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 tipo-K, Fluke Corporation, Washington, EE. UU.).Utilice una etapa de eje Z motorizada vertical (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituania) para medir la profundidad desde la superficie del medio (establecida como el origen del eje Z) con una resolución de 5 m por paso.
Dado que el tamaño de la muestra era pequeño (n = 5) y no se podía asumir la normalidad, se utilizó la prueba de suma de rangos de Wilcoxon de dos colas y dos muestras (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) para comparar la cantidad de variación de la punta de la aguja para varios biseles.Se realizaron tres comparaciones para cada pendiente, por lo que se aplicó una corrección de Bonferroni con un nivel de significancia ajustado de 0,017 y una tasa de error del 5%.
Se hace referencia a la Fig. 7 a continuación.A 29,75 kHz, la media longitud de onda curva (\(\lambda _y/2\)) de una aguja de calibre 21 es \(\aproximadamente) 8 mm.La longitud de onda de flexión disminuye a lo largo de la pendiente a medida que se acerca a la punta.En la punta \(\lambda _y/2\) hay biseles escalonados de 3, 1 y 7 mm, respectivamente, para lancetas ordinarias (a), asimétricas (b) y axisimétricas (c).Por lo tanto, esto significa que la lanceta diferirá en \(\about\) 5 mm (debido al hecho de que los dos planos de la lanceta forman un punto de 29,30), la pendiente asimétrica variará en 7 mm y la pendiente simétrica por 1 mm.Pendientes simétricas (el centro de gravedad sigue siendo el mismo, por lo que sólo el espesor de la pared cambia a lo largo de la pendiente).
Aplicación del estudio FEM a 29,75 kHz y la ecuación.(1) Calcule el cambio de media onda de flexión (\(\lambda _y/2\)) para la geometría oblicua de lanceta (a), asimétrica (b) y axisimétrica (c) (como en las figuras 1a, b, c).).El promedio \(\lambda_y/2\) para las pendientes de lanceta, asimétrica y axisimétrica es 5,65, 5,17 y 7,52 mm, respectivamente.Tenga en cuenta que el grosor de la punta para biseles asimétricos y simétricos está limitado a \(\aprox) 50 µm.
La movilidad máxima \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) es una combinación de la longitud óptima del tubo (TL) y la longitud de inclinación (BL) (Fig. 8, 9).Para una lanceta convencional, dado que su tamaño es fijo, el TL óptimo es \(\aprox\) 29,1 mm (Fig. 8).Para pendientes asimétricas y axisimétricas (Fig. 9a, b, respectivamente), el estudio FEM incluyó BL de 1 a 7 mm, por lo que los rangos óptimos de TL fueron de 26,9 a 28,7 mm (rango 1,8 mm) y de 27,9 a 29,2 mm (rango 1,3 milímetros).) ), respectivamente.Para pendientes asimétricas (Fig. 9a), el TL óptimo aumentó linealmente, alcanzando una meseta en BL 4 mm, y luego disminuyó bruscamente de BL 5 a 7 mm.Para pendientes axisimétricas (Fig. 9b), el TL óptimo aumenta linealmente con el alargamiento de BL y finalmente se estabiliza en BL de 6 a 7 mm.Un estudio ampliado de pendientes axisimétricas (Fig. 9c) mostró un conjunto diferente de TL óptimos ubicados en \(\aproximadamente) 35,1–37,1 mm.Para todos los BL, la distancia entre dos conjuntos de TL óptimos es \(\approx\) 8 mm (equivalente a \(\lambda _y/2\)).
Movilidad de transmisión de lanceta a 29,75 kHz.El tubo de la aguja se flexionó a una frecuencia de 29,75 kHz, la vibración se midió en el extremo y se expresó como la cantidad de movilidad mecánica transmitida (dB con respecto al valor máximo) para TL 26,5-29,5 mm (en pasos de 0,1 mm).
Los estudios paramétricos del FEM a una frecuencia de 29,75 kHz muestran que la movilidad de transferencia de la punta axisimétrica se ve menos afectada por los cambios en la longitud del tubo que su contraparte asimétrica.Estudios de longitud de bisel (BL) y longitud de tubería (TL) para geometrías de bisel asimétricas (a) y axisimétricas (b, c) en estudios en el dominio de la frecuencia utilizando FEM (las condiciones de contorno se muestran en la Figura 2).(a, b) TL osciló entre 26,5 y 29,5 mm (en pasos de 0,1 mm) y BL entre 1 y 7 mm (en pasos de 0,5 mm).(c) Estudio de ángulo oblicuo axisimétrico extendido que incluye TL 25-40 mm (en pasos de 0,05 mm) y 0,1-7 mm (en pasos de 0,1 mm) que revela la relación deseada \(\lambda_y/2\) Se satisfacen las condiciones de contorno de movimiento flexible para una punta.
La estructura de la aguja tiene tres frecuencias naturales \(f_{1-3}\) divididas en regiones modales baja, media y alta como se muestra en la Tabla 1. El tamaño del PTE se muestra en la Figura 10 y luego se analiza en la Figura 11. A continuación se muestran los resultados para cada área modal:
Amplitudes típicas registradas de eficiencia de transferencia de potencia instantánea (PTE) obtenidas utilizando excitación sinusoidal con frecuencia de barrido a una profundidad de 20 mm para una lanceta (L) y pendientes axisimétricas AX1-3 en aire, agua y gelatina.Se muestra un espectro unilateral.La respuesta de frecuencia medida (frecuencia de muestreo de 300 kHz) se filtró de paso bajo y luego se redujo en un factor de 200 para el análisis modal.La relación señal-ruido es \(\le\) 45 dB.La fase PTE (línea de puntos violeta) se muestra en grados (\(^{\circ}\)).
El análisis de respuesta modal se muestra en la Figura 10 (media ± desviación estándar, n = 5) para las pendientes L y AX1-3 en aire, agua y 10% de gelatina (20 mm de profundidad) con (arriba) tres regiones modales (baja). , altura media).), y sus correspondientes frecuencias modales\(f_{1-3}\) (kHz), la eficiencia energética (promedio)\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) utiliza ecuaciones de diseño.(4) y (abajo) son el ancho total a la mitad del valor máximo medido \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respectivamente.Tenga en cuenta que cuando se registra un PTE bajo, es decir, en el caso de una pendiente AX2, se omite la medición del ancho de banda, \(\text {FWHM}_{1}\).El modo \(f_2\) se considera el más adecuado para comparar la deflexión de planos inclinados, ya que demuestra el nivel más alto de eficiencia de transferencia de potencia (\(\text {PTE}_{2}\)), hasta 99%.
Primera región modal: \(f_1\) no depende mucho del tipo de medio insertado, pero depende de la geometría del bisel.\(f_1\) disminuye al disminuir la longitud del bisel (27,1, 26,2 y 25,9 kHz para AX1-3, respectivamente, en el aire).Los promedios regionales \(\text {PTE}_{1}\) y \(\text {FWHM}_{1}\) son \(\approx\) 81% y 230 Hz respectivamente.\(\text {FWHM}_{1}\) fue el más alto en gelatina de Lancet (L, 473 Hz).Tenga en cuenta que \(\text {FWHM}_{1}\) para AX2 en gelatina no se puede estimar debido a la baja magnitud de las respuestas de frecuencia informadas.
La segunda región modal: \(f_2\) depende del tipo de pasta y medio biselado.En aire, agua y gelatina, los valores medios de \(f_2\) son 29,1, 27,9 y 28,5 kHz, respectivamente.El PTE para esta región modal también alcanzó el 99%, el más alto entre todos los grupos de medición, con un promedio regional del 84%.El promedio del área \(\text {FWHM}_{2}\) es \(\approx\) 910 Hz.
Tercera región modal: \(f_3\) La frecuencia depende del tipo de medio de inserción y bisel.Los valores promedio de \(f_3\) son 32,0, 31,0 y 31,3 kHz en aire, agua y gelatina, respectivamente.\(\text {PTE}_{3}\) tiene un promedio regional de \(\aproximadamente\) 74%, el más bajo de cualquier región.El promedio regional \(\text {FWHM}_{3}\) es \(\aproximadamente\) 1085 Hz, que es más alto que el de la primera y segunda región.
Lo siguiente se refiere a la Fig.12 y Tabla 2. La lanceta (L) se desvió más (con alta significación para todas las puntas, \(p<\) 0,017) tanto en aire como en agua (Fig. 12a), logrando el DPR más alto (hasta 220 µm/ W en el aire). 12 y Tabla 2. La lanceta (L) se desvió más (con alta significación para todas las puntas, \(p<\) 0,017) tanto en aire como en agua (Fig. 12a), logrando el DPR más alto (hasta 220 µm/ W en el aire). Следующее относится к рисунку 12 and таблице 2. Lancét (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью для наконечнико в, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Lo siguiente se aplica a la Figura 12 y la Tabla 2. La lanceta (L) se desvió más (con un alto significado para todas las puntas, \(p<\) 0,017) tanto en aire como en agua (Fig. 12a), logrando el DPR más alto.(hacer 220 μm/W en aire).Se hace referencia a la Figura 12 y a la Tabla 2 a continuación.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DPR (空气中高达220 µm/W).柳叶刀(L) tiene la deflexión más alta en aire y agua (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0.017), y logró el DPR más alto (hasta 220 µm/ W en el aire). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), самого высокого DPR (до 220 мкм/Вт воздухе). La lanceta (L) tiene la desviación más grande (altamente significativa para todas las puntas, \(p<\) 0,017) en aire y agua (Fig. 12a), alcanzando el DPR más alto (hasta 220 µm/W en aire). En el aire, AX1, que tenía un BL más alto, se desvió más que AX2–3 (con significancia, \(p<\) 0,017), mientras que AX3 (que tenía un BL más bajo) se desvió más que AX2 con un DPR de 190 µm/W. En el aire, AX1, que tenía un BL más alto, se desvió más que AX2–3 (con significancia, \(p<\) 0,017), mientras que AX3 (que tenía un BL más bajo) se desvió más que AX2 con un DPR de 190 µm/W. En el caso de AX1 con todos los demás BL, se incluye el AX2–3 (con un valor \(p<\) 0,017), junto con el AX3 (con el mismo número de BL) больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. En el aire, AX1 con mayor BL se desvió más que AX2–3 (con significancia \(p<\) 0.017), mientras que AX3 (con menor BL) se desvió más que AX2 con 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）的偏转Para AX2, DPR es de 190 µm/W. En el aire, la deflexión de AX1 con mayor BL es mayor que la de AX2-3 (significativamente, \(p<\) 0.017), y la deflexión de AX3 (con menor BL) es mayor que la de AX2, DPR es 190 µm/W. En el AX1 con la mayor cantidad de BL, hay una gran cantidad de bloqueo, como AX2-3 (con valores, \(p<\) 0,017), y también con AX3 (con el mismo valor de BL) льшее отклонение, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. En el aire, AX1 con mayor BL tiene mayor desviación que AX2-3 (significativo, \(p<\) 0.017), mientras que AX3 (con menor BL) tiene mayor desviación que AX2 con DPR de 190 μm/W. En agua a 20 mm, no se encontraron diferencias significativas (\(p>\) 0,017) en la deflexión y el PTE para AX1–3. En agua a 20 mm, no se encontraron diferencias significativas (\(p>\) 0,017) en la deflexión y el PTE para AX1–3. Воде на глубине 20 mm достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ФТР для AX1–3 не обнаружено. En agua a una profundidad de 20 mm, se detectaron diferencias significativas (\(p>\) 0,017) en la deflexión y la FTR para AX1–3.Tamaño de 20 mm, AX1-3 de 0,017. En 20 mm de agua, no hubo diferencia significativa entre AX1-3 y PTE (\(p>\) 0,017). На глубине 20 mm прогиб и PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). A una profundidad de 20 mm, la deflexión y el PTE AX1-3 no difirieron significativamente (\(p>\) 0,017).Los niveles de PTE en el agua (90,2–98,4%) fueron generalmente más altos que en el aire (56–77,5%) (Fig. 12c), y el fenómeno de cavitación se observó durante el experimento en agua (Fig. 13, ver también información adicional). información).
Las mediciones de amplitud de flexión de la punta (media ± desviación estándar, n = 5) para los chaflanes L y AX1-3 en aire y agua (profundidad 20 mm) revelaron el efecto del cambio de la geometría del chaflán.Las medidas se obtienen mediante excitación sinusoidal continua de frecuencia única.(a) Desviación máxima (\(u_y\vec {j}\)) en el vértice, medida en (b) sus respectivas frecuencias modales \(f_2\).(c) Eficiencia de transmisión de energía (PTE, rms, %) como ecuación.(4) y (d) Factor de potencia de desviación (DPR, µm/W) calculado como desviación máxima y potencia de transmisión \(P_T\) (Wrms).
Gráfico de sombra típico de una cámara de alta velocidad que muestra la desviación total de la punta de la lanceta (líneas de puntos verdes y rojas) de la lanceta (L) y la punta axisimétrica (AX1-3) en agua (profundidad 20 mm), medio ciclo, frecuencia de accionamiento \(f_2\) (frecuencia de muestreo de 310 kHz).La imagen capturada en escala de grises tiene unas dimensiones de 128×128 píxeles con un tamaño de píxel de \(\aproximadamente) 5 µm.El vídeo se puede encontrar en información adicional.
Por lo tanto, modelamos el cambio en la longitud de onda de flexión (Fig. 7) y calculamos la movilidad mecánica para la transferencia para combinaciones convencionales lanceoladas, asimétricas y axiales de longitud y bisel del tubo (Fig. 8, 9).Geometría biselada simétrica.Con base en esto último, estimamos que la distancia óptima entre la punta y la soldadura es de 43 mm (o \(\approx\) 2,75\(\lambda_y\) a 29,75 kHz) como se muestra en la Figura 5, y fabricamos tres biseles axisimétricos con diferentes longitudes de bisel.Luego caracterizamos sus respuestas de frecuencia en comparación con lancetas convencionales en aire, agua y gelatina balística al 10% (p/v) (Figuras 10, 11) y determinamos el mejor caso para comparar el modo de desviación de inclinación.Finalmente, medimos la deflexión de la punta al doblar una onda en aire y agua a una profundidad de 20 mm y cuantificamos la eficiencia de transferencia de potencia (PTE, %) y el factor de potencia de deflexión (DPR, µm/W) del medio inyectado para cada inclinación.tipo (Fig. 12).
Los resultados muestran que el eje de inclinación de la geometría afecta la desviación de amplitud del eje de punta.La lanceta tenía la curvatura más alta y también el DPR más alto en comparación con el bisel axisimétrico, mientras que el bisel axisimétrico tenía una desviación media menor (Fig. 12). El bisel ejesimétrico de 4 mm (AX1), que tiene la longitud de bisel más larga, logró la mayor deflexión estadísticamente significativa en el aire (\(p < 0,017\), Tabla 2), en comparación con otras agujas ejesimétricas (AX2–3), pero no se observaron diferencias significativas cuando la aguja se colocó en agua. El bisel ejesimétrico de 4 mm (AX1), que tiene la longitud de bisel más larga, logró la mayor deflexión estadísticamente significativa en el aire (\(p < 0,017\), Tabla 2), en comparación con otras agujas ejesimétricas (AX2–3), pero no se observaron diferencias significativas cuando la aguja se colocó en agua. Осесиметричный скос 4 mm (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статистически значимого наибольшего отклонения в е (\(p <0,017\), таблица 2) по сравнению с другими осесиметричными иглами (AX2–3). El bisel axisimétrico de 4 mm (AX1), que tiene la longitud de bisel más larga, logró una mayor desviación estadísticamente significativa en el aire (\(p < 0,017\), Tabla 2) en comparación con otras agujas axisimétricas (AX2–3).pero no se observaron diferencias significativas al colocar la aguja en agua.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. En comparación con otras agujas axialmente simétricas (AX2-3), tiene el ángulo oblicuo más largo de 4 mm axialmente simétrico (AX1) en el aire y ha logrado una deflexión máxima estadísticamente significativa (\(p < 0,017\), Tabla 2). , pero cuando la aguja se colocó en agua, no se observó ninguna diferencia significativa. Осесиметричный скос 4 mm (AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает статистически значимое максимальное отклонение в воздухе по сравнению с другими осесиметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), но существенной разницы не было. La pendiente axisimétrica con la longitud de pendiente más larga de 4 mm (AX1) proporcionó una desviación máxima estadísticamente significativa en el aire en comparación con las otras pendientes axisimétricas (AX2-3) (\(p < 0,017\), Tabla 2), pero no hubo diferencia significativa.Se observa cuando la aguja se coloca en agua.Por lo tanto, una longitud de bisel más larga no tiene ventajas obvias en términos de deflexión máxima de la punta.Teniendo esto en cuenta, resulta que la geometría de la pendiente, que se investiga en este estudio, tiene una mayor influencia en la deflexión de amplitud que la longitud de la pendiente.Esto puede estar relacionado, por ejemplo, con la rigidez a la flexión, dependiendo del material que se esté doblando y del espesor total de la aguja de construcción.
En estudios experimentales, la magnitud de la onda de flexión reflejada se ve afectada por las condiciones de contorno de la punta.Cuando se insertó la punta de la aguja en agua y gelatina, \(\text {PTE}_{2}\) promedió \(\approx\) 95% y \(\text {PTE}_{2}\) promedió los valores son 73% y 77% (\text {PTE}_{1}\) y \(\text {PTE}_{3}\), respectivamente (Fig. 11).Esto indica que la transferencia máxima de energía acústica al medio de fundición (por ejemplo, agua o gelatina) ocurre en \(f_2\).Se observó un comportamiento similar en un estudio anterior utilizando estructuras de dispositivos más simples a frecuencias de 41-43 kHz, donde los autores demostraron el coeficiente de reflexión de voltaje asociado con el módulo mecánico del medio intercalado.La profundidad de penetración32 y las propiedades mecánicas del tejido proporcionan una carga mecánica sobre la aguja y, por lo tanto, se espera que influyan en el comportamiento resonante del UZeFNAB.Por lo tanto, se pueden utilizar algoritmos de seguimiento de resonancia como 17, 18, 33 para optimizar la potencia del sonido emitido a través del lápiz.
El modelado de longitud de onda de curvatura (Fig. 7) muestra que la simetría axial tiene una mayor rigidez estructural (es decir, una mayor rigidez de flexión) en la punta que la lanceta y el bisel asimétrico.Derivado de (1) y utilizando la relación velocidad-frecuencia conocida, estimamos la rigidez a la flexión de la lanceta, puntas asimétricas y axisimétricas como pendientes \(\aproximadamente) 200, 20 y 1500 MPa, respectivamente.Esto corresponde a (\lambda _y\) 5,3, 1,7 y 14,2 mm a 29,75 kHz, respectivamente (Fig. 7a-c).Teniendo en cuenta la seguridad clínica del procedimiento USeFNAB, es necesario evaluar la influencia de la geometría en la rigidez del diseño del bisel34.
El estudio de los parámetros del bisel y la longitud del tubo (Fig. 9) mostró que el rango de TL óptimo para el bisel asimétrico (1,8 mm) era mayor que para el bisel axisimétrico (1,3 mm).Además, la meseta de movilidad varía de 4 a 4,5 mm y de 6 a 7 mm para inclinación asimétrica y axisimétrica, respectivamente (Fig. 9a, b).La relevancia práctica de este hallazgo se expresa en las tolerancias de fabricación; por ejemplo, un rango más bajo de TL óptimo puede implicar la necesidad de una mayor precisión de longitud.Al mismo tiempo, la plataforma de rendimiento proporciona una mayor tolerancia para la elección de la longitud de la pendiente a una frecuencia determinada sin afectar significativamente el rendimiento.
El estudio incluye las siguientes limitaciones.La medición directa de la desviación de la aguja mediante detección de bordes e imágenes de alta velocidad (Figura 12) significa que estamos limitados a medios ópticamente transparentes como el aire y el agua.También nos gustaría señalar que no utilizamos experimentos para probar la movilidad de transferencia simulada y viceversa, sino que utilizamos estudios FEM para determinar la longitud óptima de la aguja fabricada.Desde el punto de vista de las limitaciones prácticas, la longitud de la lanceta desde la punta hasta el manguito es 0,4 cm más larga que la de otras agujas (AX1-3), ver fig.3b.Esto puede haber afectado la respuesta modal de la estructura acicular.Además, la forma y el volumen de la soldadura del cable de la guía de ondas (consulte la Figura 3) pueden afectar la impedancia mecánica del diseño del pasador, lo que genera errores en la impedancia mecánica y el comportamiento de flexión.
Finalmente, hemos demostrado experimentalmente que la geometría del bisel afecta la cantidad de deflexión en USeFNAB.En situaciones en las que una mayor amplitud de deflexión puede tener un efecto positivo en el efecto de la aguja sobre el tejido, por ejemplo, la eficiencia de corte después de la punción, se puede recomendar una lanceta convencional para USeFNAB, ya que proporciona la mayor amplitud de deflexión manteniendo suficiente rigidez. en la punta del diseño.Además, un estudio reciente ha demostrado que una mayor desviación de la punta puede mejorar efectos biológicos como la cavitación, lo que puede ayudar a desarrollar aplicaciones para intervenciones quirúrgicas mínimamente invasivas.Dado que se ha demostrado que aumentar la potencia acústica total aumenta el rendimiento de la biopsia de USeFNAB13, se necesitan más estudios cuantitativos del rendimiento y la calidad de la muestra para evaluar el beneficio clínico detallado de la geometría de la aguja estudiada.
Frable, WJ Biopsia por aspiración con aguja fina: una revisión.Humph.Enfermo.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Hora de publicación: 13 de octubre de 2022