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Il a récemment été démontré que l'utilisation des ultrasons augmente le rendement tissulaire lors de l'aspiration à l'aiguille fine assistée par ultrasons (USeFNAB) par rapport à l'aspiration conventionnelle à l'aiguille fine (FNAB).À ce jour, la relation entre la géométrie du biseau et le mouvement de la pointe n’a pas été étudiée de manière approfondie.Dans cette étude, nous avons étudié les propriétés de résonance et d’amplitude de déflexion de l’aiguille pour diverses géométries de biseau d’aiguille avec différentes longueurs de biseau.En utilisant une lancette biseautée conventionnelle de 3,9 mm, le facteur de puissance de déviation de la pointe (DPR) dans l'air et l'eau était respectivement de 220 et 105 µm/W.C'est plus haut que la pointe biseautée axisymétrique de 4 mm, fournissant respectivement 180 et 80 µm/W de DPR dans l'air et dans l'eau.Cette étude met en évidence l'importance de la relation entre la rigidité à la flexion de la géométrie du biseau dans le contexte de différents moyens d'insertion et peut donc fournir un aperçu des méthodes permettant de contrôler l'action de coupe après perçage en modifiant la géométrie du biseau de l'aiguille, ce qui est important.pour une application USeFNAB est critique.
La biopsie par aspiration à l'aiguille fine (FNA) est une méthode permettant d'obtenir des échantillons de tissus pour une pathologie suspectée1,2,3 à l'aide d'une aiguille.Il a été démontré que la pointe Franseen offre des performances diagnostiques supérieures à celles des pointes lancet4 et Menghini5 classiques.Des pentes axisymétriques (c'est-à-dire circonférentielles) sont également suggérées pour augmenter la probabilité d'obtenir des échantillons histopathologiquement adéquats.
Lors d’une biopsie, une aiguille est passée à travers des couches de peau et de tissus pour accéder aux lésions suspectes.Des études récentes ont montré que les ultrasons peuvent réduire la force de pénétration requise pour accéder aux tissus mous7,8,9,10.Il a été démontré que la géométrie du biseau de l’aiguille affecte les forces d’interaction de l’aiguille ; par exemple, il a été démontré que les biseaux plus longs ont des forces de pénétration dans les tissus plus faibles11.Une fois que l'aiguille a pénétré la surface du tissu, c'est-à-dire après la perforation, la force de coupe de l'aiguille peut représenter 75 % de la force d'interaction de l'aiguille avec le tissu12.Il a été démontré que dans la phase post-ponction, l'échographie (échographie) augmente l'efficacité de la biopsie diagnostique des tissus mous.D'autres techniques de biopsie osseuse assistées par ultrasons ont été développées pour prélever des échantillons de tissus durs, mais aucun résultat n'a été rapporté pour améliorer le rendement de la biopsie.De nombreuses études ont également confirmé que le déplacement mécanique augmente lorsqu'il est soumis à une contrainte ultrasonore16,17,18.Bien qu'il existe de nombreuses études sur les forces statiques axiales (longitudinales) dans les interactions aiguille-tissu19,20, il existe peu d'études sur la dynamique temporelle et la géométrie du biseau de l'aiguille sous FNAB ultrasonique (USeFNAB).
Le but de cette étude était d’étudier l’effet de différentes géométries de biseau sur le mouvement de la pointe de l’aiguille dans une aiguille entraînée par flexion ultrasonique.En particulier, nous avons étudié l'effet du milieu d'injection sur la déviation de la pointe de l'aiguille après la perforation des biseaux d'aiguilles traditionnels (c'est-à-dire les aiguilles USeFNAB à des fins diverses telles que l'aspiration sélective ou l'acquisition de tissus mous).
Diverses géométries de biseau ont été incluses dans cette étude.(a) La spécification Lancet est conforme à la norme ISO 7864:201636 où \(\alpha\) est le biseau principal, \(\theta\) est l'angle de rotation du biseau secondaire et \(\phi\) est le biseau secondaire. angle., lors de la rotation, en degrés (\(^\circ\)).(b) Chanfreins linéaires asymétriques à une étape (appelés « standard » dans la norme DIN 13097 : 201937) et (c) Chanfreins linéaires axisymétriques (circonférentiels) à une étape.
Notre approche commence par modéliser le changement de longueur d'onde de courbure le long du biseau pour les géométries de biseau classiques à lancette, axisymétrique et asymétrique à un étage.Nous avons ensuite calculé une étude paramétrique pour examiner l'effet de la pente et de la longueur des conduites sur la fluidité mécanique du transfert.Ceci est nécessaire pour déterminer la longueur optimale pour fabriquer un prototype d'aiguille.Sur la base de la simulation, des prototypes d'aiguilles ont été réalisés et leur comportement résonant a été caractérisé expérimentalement en mesurant les coefficients de réflexion de tension et en calculant l'efficacité du transfert de puissance dans l'air, l'eau et 10 % (p/v) de gélatine balistique, à partir desquels la fréquence de fonctionnement a été déterminée. .Enfin, l'imagerie à grande vitesse est utilisée pour mesurer directement la déviation de l'onde de flexion à la pointe de l'aiguille dans l'air et l'eau, ainsi que pour estimer la puissance électrique délivrée à chaque angle oblique et la géométrie du rapport de puissance de déviation ( DPR) au milieu injecté..
Comme le montre la figure 2a, utilisez un tube de calibre 21 (OD 0,80 mm, ID 0,49 mm, épaisseur de paroi du tube 0,155 mm, paroi standard) pour définir le tube d'aiguille avec la longueur du tube (TL) et l'angle de biseau (BL) conformément à la norme ISO. 9626:201621) en acier inoxydable 316 (module d'Young 205 \(\text {GN/m}^{2}\), densité 8070 kg/m\(^{3}\) et coefficient de Poisson 0,275 ).
Détermination de la longueur d'onde de flexion et réglage du modèle d'éléments finis (FEM) pour les conditions d'aiguille et aux limites.(a) Détermination de la longueur du biseau (BL) et de la longueur du tuyau (TL).(b) Modèle d'éléments finis (FEM) tridimensionnel (3D) utilisant une force ponctuelle harmonique \(\tilde{F}_y\vec {j}\) pour entraîner l'aiguille de manière proximale, dévier le point et mesurer la vitesse au tip (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) pour calculer le transfert de fluidité mécanique.\(\lambda _y\) est défini comme la longueur d'onde de flexion par rapport à la force verticale \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Définitions du centre de gravité, de la section transversale A et des moments d'inertie \(I_{xx}\) et \(I_{yy}\) autour des axes x et y, respectivement.
Comme le montre la fig.2b, c, pour un faisceau infini (infini) avec une aire de section transversale A et à une longueur d'onde supérieure à la taille de la section transversale du faisceau, la vitesse de phase courbée (ou courbée) \( c_{EI }\) est déterminée par 22 :
où E est le module de Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) est la fréquence angulaire d'excitation (rad/s), où \( f_0 \ ) est la fréquence linéaire (1/s ou Hz), I est le moment d'inertie de la zone autour de l'axe d'intérêt\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) est la masse sur l'unité de longueur (kg/m), où \(\rho _0\) est la densité\((\text {kg/m}^{3})\) et A est la croix section de la zone du faisceau (plan xy) (\(\ text {m}^{2}\)).Puisque la force appliquée dans notre exemple est parallèle à l'axe y vertical, c'est à dire \(\tilde{F}_y\vec {j}\), nous ne nous intéressons qu'au moment d'inertie régional autour de l'axe horizontal x, c'est-à-dire \(I_{xx}\), donc :
Pour le modèle d'éléments finis (FEM), un déplacement harmonique pur (m) est supposé, donc l'accélération (\(\text {m/s}^{2}\)) est exprimée comme \(\partial ^2 \vec { u}/ \ partial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) comme \(\vec {u}(x, y, z, t) : = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) est un vecteur de déplacement tridimensionnel donné en coordonnées spatiales.Au lieu de cette dernière, conformément à son implémentation dans le progiciel COMSOL Multiphysics (versions 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), la forme lagrangienne à déformation finie de la loi d'équilibre des moments est donnée comme suit :
où \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) est l'opérateur de divergence tensorielle, \({\underline{\sigma}}\) est le deuxième tenseur de contraintes de Piola-Kirchhoff (deuxième ordre, \(\ text { N/ m}^{2}\)) et \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) est le vecteur force corporelle (\(\text {N/m}^{3}\)) pour chaque volume déformé, et \(e^{j\phi }\) est le vecteur angle de phase\(\ phi \ ) ( content).Dans notre cas, la force volumique du corps est nulle, notre modèle suppose une linéarité géométrique et une petite déformation purement élastique, c'est à dire, où \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) et \({\underline {\varepsilon}}\) sont respectivement la déformation élastique et la déformation totale (deuxième ordre, sans dimension).Le tenseur d'élasticité isotrope constitutif de Hooke \(\underline{\underline{C}}\) est calculé en utilisant le module de Young E (\(\text {N/m}^{2}\)) et le coefficient de Poisson v est déterminé, donc c'est-à-dire \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (quatrième ordre).Le calcul de la contrainte devient donc \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Le calcul utilise un élément tétraédrique à 10 nœuds avec une taille d'élément \(\le\) de 8 µm.L'aiguille est modélisée sous vide, et la valeur de la mobilité mécanique transférée (ms-1 N-1) est définie comme \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, où \(\tilde{v}_y\vec {j}\) est la vitesse complexe de sortie de la pièce à main et \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) est une force motrice complexe située à l'extrémité proximale du tube, comme le montre la figure 2b.Traduire la fluidité mécanique en décibels (dB) en utilisant la valeur maximale comme référence, soit \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Toutes les études FEM ont été réalisées à une fréquence de 29,75 kHz.
La conception de l'aiguille (Fig. 3) consiste en une aiguille hypodermique conventionnelle de calibre 21 (réf. 4665643, Sterican\(^\circledR\), diamètre extérieur 0,8 mm, longueur 120 mm, acier inoxydable AISI 304 chrome-nickel acier, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Allemagne) équipé d'un manchon Luer Lock en plastique en polypropylène à l'extrémité proximale et modifié en conséquence à l'extrémité.Le tube d'aiguille est soudé au guide d'ondes comme indiqué sur la figure 3b.Les guides d'ondes ont été imprimés sur une imprimante 3D en acier inoxydable (acier inoxydable EOS 316L sur une imprimante 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlande) puis fixés au capteur Langevin à l'aide de boulons M4.Le capteur Langevin est constitué de 8 éléments annulaires piézoélectriques chargés aux deux extrémités de deux masses.
Les quatre types de pointes (photo), une lancette disponible dans le commerce (L) et trois biseaux axisymétriques à un étage fabriqués (AX1-3) ont été caractérisés par des longueurs de biseau (BL) de 4, 1,2 et 0,5 mm, respectivement.(a) Gros plan de la pointe de l’aiguille finie.(b) Vue de dessus de quatre broches soudées au guide d'ondes imprimé en 3D puis connectées au capteur Langevin avec des boulons M4.
Trois pointes biseautées axisymétriques (Fig. 3) ont été fabriquées (TAs Machine Tools Oy) avec des longueurs de biseau (BL, telles que définies sur la Fig. 2a) de 4,0, 1,2 et 0,5 mm, correspondant à \(\approx) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) et 18\(^\circ\) respectivement.La masse du guide d'ondes et de l'aiguille est de 3,4 ± 0,017 g (moyenne ± écart-type, n = 4) pour les biseaux L et AX1-3, respectivement (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Allemagne) .Pour les biseaux L et AX1-3 de la figure 3b, la longueur totale depuis la pointe de l'aiguille jusqu'à l'extrémité du manchon en plastique était respectivement de 13,7, 13,3, 13,3 et 13,3 cm.
Pour toutes les configurations d'aiguille, la longueur entre la pointe de l'aiguille et la pointe du guide d'ondes (c'est-à-dire jusqu'à la zone de soudure) était de 4,3 cm et le tube de l'aiguille était orienté avec la coupe vers le haut (c'est-à-dire parallèlement à l'axe Y). , comme le montre la figure.c (Fig. 2).
Un script personnalisé dans MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) exécuté sur un ordinateur (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) a été utilisé pour générer un balayage sinusoïdal linéaire de 25 à 35 kHz pendant 7 secondes, passant Un convertisseur numérique-analogique (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, États-Unis) convertit en un signal analogique.Le signal analogique \(V_0\) (0,5 Vp-p) a ensuite été amplifié avec un amplificateur radiofréquence (RF) dédié (Mariachi Oy, Turku, Finlande).La tension amplifiée descendante \({V_I}\) de l'amplificateur RF avec une impédance de sortie de 50 ohms est envoyée à un transformateur intégré à la structure de l'aiguille avec une impédance d'entrée de 50 ohms.Des transducteurs Langevin (transducteurs piézoélectriques multicouches robustes avant et arrière) sont utilisés pour générer des ondes mécaniques.L'amplificateur RF personnalisé est équipé d'un compteur de facteur de puissance d'onde stationnaire (SWR) à double canal qui enregistre l'incident \({V_I}\) et la tension amplifiée réfléchie\(V_R\) en mode analogique-numérique (AD).avec un taux d'échantillonnage de 300 kHz Convertisseur (analogique Discovery 2).Le signal d'excitation est modulé en amplitude au début et à la fin pour éviter de surcharger l'entrée de l'amplificateur avec des transitoires.
À l'aide d'un script personnalisé implémenté dans MATLAB, la fonction de réponse en fréquence (FRF), c'est-à-dire \(\tilde{H}(f)\), a été estimée hors ligne à l'aide d'une méthode de mesure de balayage sinusoïdal à deux canaux (Fig. 4), qui suppose linéarité dans le temps.système invariant.De plus, un filtre passe-bande de 20 à 40 kHz est appliqué pour supprimer toutes les fréquences indésirables du signal.En se référant à la théorie des lignes de transmission, dans ce cas \(\tilde{H}(f)\) est équivalent au coefficient de réflexion de tension, c'est-à-dire \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) diminue jusqu'à \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) est égal à \(|\rho _{V}|^2\).Dans les cas où des valeurs absolues de puissance électrique sont requises, la puissance incidente \(P_I\) et la puissance réfléchie \(P_R\) puissance (W) sont calculées en prenant par exemple la valeur efficace (rms) de la tension correspondante.pour une ligne de transmission à excitation sinusoïdale \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, où \(Z_0\) est égal à 50 \(\Omega\).La puissance électrique fournie à la charge \(P_T\) (c'est-à-dire le support inséré) peut être calculée comme \(|P_I – P_R |\) (W RMS), ainsi que l'efficacité de transfert de puissance (PTE) et le pourcentage ( %) peut être déterminé comment la forme est donnée, donc 27 :
Les fréquences modales aciculaires \(f_{1-3}\) (kHz) et leurs facteurs de transfert de puissance correspondants \(\text {PTE}_{1{-}3} \) sont ensuite estimés à l'aide du FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) estimé directement à partir de \(\text {PTE}_{1{-}3}\), à partir du tableau 1 A unilatéral le spectre linéaire est obtenu à la fréquence modale décrite \(f_{1-3}\).
Mesure de la réponse en fréquence (AFC) des structures d'aiguilles.Une mesure de balayage sinusoïdale à deux canaux25,38 est utilisée pour obtenir la fonction de réponse en fréquence \(\tilde{H}(f)\) et sa réponse impulsionnelle H(t).\({\mathcal {F}}\) et \({\mathcal {F}}^{-1}\) représentent respectivement la transformée de Fourier de la troncature numérique et son inverse.\(\tilde{G}(f)\) signifie le produit de deux signaux dans le domaine fréquentiel, par exemple \(\tilde{G}_{XrX}\) signifie le produit de balayage inverse\(\tilde{ X} r (f)\ ) et chute de tension \(\tilde{X}(f)\) respectivement.
Comme le montre la figure 5, la caméra haute vitesse (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) est équipée d'un objectif macro (MP-E 65 mm, \(f\)/2,8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokyo, Japon), pour enregistrer les déflexions de la pointe lors d'une excitation de flexion (sinusoïde continue à fréquence unique) à des fréquences de 27,5 à 30 kHz.Pour créer une carte d'ombre, un élément refroidi d'une LED blanche haute intensité (numéro de pièce : 4052899910881, LED blanche, 3 000 K, 4 150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Allemagne) a été placé derrière la pointe de l'aiguille.
Vue de face du dispositif expérimental.La profondeur est mesurée à partir de la surface du support.La structure de l'aiguille est serrée et montée sur une table de transfert motorisée.Utilisez une caméra haute vitesse avec un objectif à fort grossissement (5\(\x\)) pour mesurer la déviation de l'angle oblique.Toutes les dimensions sont en millimètres.
Pour chaque type de biseau d'aiguille, nous avons enregistré 300 images d'une caméra haute vitesse mesurant 128 \(\x\) 128 pixels, chacune avec une résolution spatiale de 1/180 mm (\(\approx) 5 µm), avec une résolution temporelle de 310 000 images par seconde.Comme le montre la figure 6, chaque cadre (1) est recadré (2) de telle sorte que la pointe de l'aiguille se trouve dans la dernière ligne (en bas) du cadre, et l'histogramme de l'image (3) est calculé, de sorte que le Canny des seuils de 1 et 2 peuvent être déterminés.Appliquez ensuite la détection de bord Canny 28(4) avec l'opérateur Sobel 3 \(\times\) 3 et calculez les positions des pixels non hypoténuses (étiquetés \(\mathbf {\times }\)) sans cavitation 300 pas de temps.Pour déterminer la plage de déflexion de la pointe, calculez la dérivée (à l'aide de l'algorithme de différence centrale) (6) et déterminez le cadre (7) qui contient les extrêmes locaux (c'est-à-dire le pic) de la déflexion.Après une inspection visuelle du bord sans cavitation, une paire de cadres (ou deux cadres avec un intervalle de mi-temps) a été sélectionnée (7) et la déflexion de la pointe a été mesurée (notée \(\mathbf {\times } \) ).Ce qui précède est implémenté en Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) à l'aide de l'algorithme de détection de bord OpenCV Canny (v4.5.1, bibliothèque de vision par ordinateur open source, opencv.org).Enfin, le facteur de puissance de déflexion (DPR, µm/W) est calculé comme le rapport de la déviation crête à crête à la puissance électrique transmise \(P_T\) (Wrms).
À l'aide d'un algorithme en 7 étapes (1-7), comprenant le recadrage (1-2), la détection des bords Canny (3-4) et le calcul, mesurez la position du pixel du bord de déviation de la pointe à l'aide d'une série d'images prises à partir d'un écran haute définition. radar à 310 kHz (5) et sa dérivée temporelle (6), et enfin la plage de déflexion de la pointe est mesurée sur des paires de cadres vérifiées visuellement (7).
Mesuré dans l'air (22,4-22,9°C), l'eau déminéralisée (20,8-21,5°C) et 10 % (p/v) de gélatine balistique aqueuse (19,7-23,0°C), \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gélatine d'os de bovin et de porc pour l'analyse balistique de type I, Honeywell International, Caroline du Nord, États-Unis).La température a été mesurée avec un amplificateur à thermocouple de type K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) et un thermocouple de type K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Utilisez une platine motorisée verticale à axe Z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituanie) pour mesurer la profondeur de la surface du support (définie comme l’origine de l’axe Z) avec une résolution de 5 µm par étape.
Étant donné que la taille de l'échantillon était petite (n = 5) et que la normalité ne pouvait pas être supposée, le test de somme des rangs de Wilcoxon bilatéral à deux échantillons (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) a été utilisé. pour comparer la quantité de variance de la pointe de l'aiguille pour différents biseaux.Trois comparaisons ont été effectuées pour chaque pente, une correction de Bonferroni a donc été appliquée avec un niveau de signification ajusté de 0,017 et un taux d'erreur de 5 %.
Il est fait référence à la figure 7 ci-dessous.À 29,75 kHz, la demi-longueur d'onde incurvée (\(\lambda _y/2\)) d'une aiguille de calibre 21 est de \(\environ) 8 mm.La longueur d’onde de flexion diminue le long de la pente à mesure qu’elle s’approche de la pointe.À la pointe \(\lambda _y/2\) se trouvent des biseaux étagés de 3, 1 et 7 mm, respectivement, pour les lancettes ordinaires (a), asymétriques (b) et axisymétriques (c).Ainsi, cela signifie que la lancette différera de \(\environ\) 5 mm (du fait que les deux plans de la lancette forment une pointe de 29,30), la pente asymétrique variera de 7 mm, et la pente symétrique de 1 mm.Pentes axisymétriques (le centre de gravité reste le même, donc seule l'épaisseur de la paroi change réellement le long de la pente).
Application de l'étude FEM à 29,75 kHz et de l'équation.(1) Calculez le changement de demi-onde de flexion (\(\lambda _y/2\)) pour la géométrie oblique de la lancette (a), asymétrique (b) et axisymétrique (c) (comme sur la Fig. 1a, b, c).).La moyenne \(\lambda_y/2\) pour les pentes de la lancette, asymétrique et axisymétrique est respectivement de 5,65, 5,17 et 7,52 mm.Notez que l’épaisseur de la pointe des biseaux asymétriques et axisymétriques est limitée à \(\approx) 50 µm.
La mobilité maximale \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) est une combinaison de la longueur optimale du tube (TL) et de la longueur d'inclinaison (BL) (Fig. 8, 9).Pour une lancette conventionnelle, puisque sa taille est fixe, la TL optimale est de \(\approx\) 29,1 mm (Fig. 8).Pour les pentes asymétriques et axisymétriques (Fig. 9a, b, respectivement), l'étude FEM incluait BL de 1 à 7 mm, de sorte que les plages de TL optimales étaient de 26,9 à 28,7 mm (plage de 1,8 mm) et de 27,9 à 29,2 mm (plage 1,3 mm).) ), respectivement.Pour les pentes asymétriques (Fig. 9a), le TL optimal a augmenté linéairement, atteignant un plateau à BL 4 mm, puis a fortement diminué de BL 5 à 7 mm.Pour les pentes axisymétriques (Fig. 9b), le TL optimal augmente linéairement avec l'allongement BL et se stabilise finalement à BL de 6 à 7 mm.Une étude approfondie des pentes axisymétriques (Fig. 9c) a montré un ensemble différent de TL optimaux situés à \(\environ) 35,1–37,1 mm.Pour tous les BL, la distance entre deux ensembles de TL optimaux est de \(\approx\) 8 mm (équivalent à \(\lambda _y/2\)).
Mobilité de transmission Lancet à 29,75 kHz.Le tube de l'aiguille a été fléchi à une fréquence de 29,75 kHz, la vibration a été mesurée à l'extrémité et exprimée en quantité de mobilité mécanique transmise (dB par rapport à la valeur maximale) pour TL 26,5-29,5 mm (pas de 0,1 mm).
Des études paramétriques du FEM à une fréquence de 29,75 kHz montrent que la mobilité de transfert de la pointe axisymétrique est moins affectée par les changements de longueur du tube que son homologue asymétrique.Études de longueur de biseau (BL) et de longueur de tuyau (TL) pour les géométries de biseau asymétriques (a) et axisymétriques (b, c) dans les études du domaine fréquentiel utilisant FEM (les conditions aux limites sont illustrées dans la figure 2).(a, b) TL variait de 26,5 à 29,5 mm (pas de 0,1 mm) et BL 1-7 mm (pas de 0,5 mm).(c) Étude d'angle oblique axisymétrique étendue comprenant TL 25-40 mm (pas de 0,05 mm) et 0,1-7 mm (pas de 0,1 mm) qui révèle le rapport souhaité \(\lambda_y/2\). Les conditions aux limites de mouvement lâche pour une pointe sont satisfaites.
La structure de l'aiguille a trois fréquences naturelles \(f_{1-3}\) divisées en régions modales faibles, moyennes et élevées, comme indiqué dans le tableau 1. La taille du PTE est illustrée à la figure 10, puis analysée à la figure 11. Vous trouverez ci-dessous les résultats pour chaque zone modale :
Amplitudes typiques d'efficacité de transfert de puissance instantanée (PTE) enregistrées obtenues en utilisant une excitation sinusoïdale avec une fréquence de balayage à une profondeur de 20 mm pour une lancette (L) et des pentes axisymétriques AX1-3 dans l'air, l'eau et la gélatine.Un spectre unilatéral est affiché.La réponse en fréquence mesurée (taux d'échantillonnage de 300 kHz) a été filtrée passe-bas puis sous-échantillonnée d'un facteur 200 pour l'analyse modale.Le rapport signal sur bruit est de \(\le\) 45 dB.La phase PTE (ligne pointillée violette) est indiquée en degrés (\(^{\circ}\)).
L'analyse de la réponse modale est présentée à la figure 10 (moyenne ± écart type, n = 5) pour les pentes L et AX1-3 dans l'air, l'eau et 10 % de gélatine (20 mm de profondeur) avec (en haut) trois régions modales (faible , moyen-élevé).), et leurs fréquences modales correspondantes\(f_{1-3}\) (kHz), l'efficacité énergétique (moyenne)\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) utilise des équations de conception.(4) et (en bas) représentent respectivement la pleine largeur à la moitié de la valeur mesurée maximale \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).A noter que lors de l'enregistrement d'un PTE faible, c'est à dire dans le cas d'une pente AX2, la mesure de la bande passante est omise, \(\text {FWHM}_{1}\).Le mode \(f_2\) est considéré comme le plus approprié pour comparer la déflexion de plans inclinés, car il démontre le plus haut niveau d'efficacité de transfert de puissance (\(\text {PTE}_{2}\)), jusqu'à 99% .
Première région modale : \(f_1\) ne dépend pas beaucoup du type de média inséré, mais dépend de la géométrie du biseau.\(f_1\) diminue avec la longueur du biseau (27,1, 26,2 et 25,9 kHz pour AX1-3, respectivement, dans l'air).Les moyennes régionales \(\text {PTE}_{1}\) et \(\text {FWHM}_{1}\) sont respectivement de \(\approx\) 81 % et 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) était le plus riche en gélatine du Lancet (L, 473 Hz).Notez que \(\text {FWHM}_{1}\) pour AX2 dans la gélatine ne peut pas être estimé en raison de la faible ampleur des réponses en fréquence rapportées.
La deuxième région modale : \(f_2\) dépend du type de support de pâte et de biseau.Dans l'air, l'eau et la gélatine, les valeurs moyennes de \(f_2\) sont respectivement de 29,1, 27,9 et 28,5 kHz.Le PTE pour cette région modale a également atteint 99 %, le plus élevé parmi tous les groupes de mesure, avec une moyenne régionale de 84 %.La moyenne de la zone \(\text {FWHM}_{2}\) est de \(\approx\) 910 Hz.
Troisième région modale : \(f_3\) La fréquence dépend du type de support d'insertion et du biseau.Les valeurs moyennes de \(f_3\) sont respectivement de 32,0, 31,0 et 31,3 kHz dans l'air, l'eau et la gélatine.\(\text {PTE}_{3}\) a une moyenne régionale de \(\environ\) 74 %, la plus basse de toutes les régions.La moyenne régionale \(\text {FWHM}_{3}\) est de \(\environ\) 1 085 Hz, ce qui est supérieur à celui des première et deuxième régions.
Ce qui suit fait référence à la Fig.12 et Tableau 2. La lancette (L) a dévié le plus (avec une signification élevée pour toutes les pointes, \(p<\) 0,017) dans l'air et dans l'eau (Fig. 12a), atteignant le DPR le plus élevé (jusqu'à 220 µm/ W dans l'air). 12 et Tableau 2. La lancette (L) a dévié le plus (avec une signification élevée pour toutes les pointes, \(p<\) 0,017) dans l'air et dans l'eau (Fig. 12a), atteignant le DPR le plus élevé (jusqu'à 220 µm/ W dans l'air). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся всего (с высокой значимостью всех наконечников \(p< \) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Ce qui suit s'applique à la figure 12 et au tableau 2. La lancette (L) est celle qui a dévié le plus (avec une signification élevée pour toutes les pointes, \(p<\) 0,017) dans l'air et dans l'eau (Fig. 12a), obtenant ainsi le DPR le plus élevé.(faire 220 μm/W dans l'air).Il est fait référence à la figure 12 et au tableau 2 ci-dessous.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（空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) a la déviation la plus élevée dans l'air et l'eau (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), et a atteint le DPR le plus élevé (jusqu'à 220 µm/ W dans l'air). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) présente l'écart le plus important (très significatif pour toutes les pointes, \(p<\) 0,017) dans l'air et l'eau (Fig. 12a), atteignant le DPR le plus élevé (jusqu'à 220 µm/W dans l'air). Dans l'air, AX1 qui avait un BL plus élevé, déviait plus que AX2–3 (avec une signification, \(p<\) 0,017), tandis que AX3 (qui avait un BL le plus bas) déviait plus que AX2 avec un DPR de 190 µm/W. Dans l'air, AX1 qui avait un BL plus élevé, déviait plus que AX2–3 (avec une signification, \(p<\) 0,017), tandis que AX3 (qui avait un BL le plus bas) déviait plus que AX2 avec un DPR de 190 µm/W. Pour que AX1 soit plus grand que BL fermé, c'est-à-dire AX2–3 (avec la valeur \(p<\) 0,017), et AX3 (avec le même niveau de BL) est ouvert et, чем AX2 avec DPR 190 мкм/Вт. Dans l'air, AX1 avec un BL plus élevé a dévié plus que AX2–3 (avec une signification \(p<\) 0,017), tandis que AX3 (avec un BL le plus bas) a dévié plus que AX2 avec un DPR de 190 µm/W.AX1 AX2-3 AX2-3, \(p<\) 0.017）, AX3 AX3 Pour AX2,DPR pour 190 µm/W. Dans l'air, la déflexion de AX1 avec BL plus élevé est supérieure à celle de AX2-3 (de manière significative, \(p<\) 0,017), et la déflexion de AX3 (avec BL le plus bas) est supérieure à celle de AX2, DPR est de 190 µm/W. Pour que l'AX1 soit plus grand que le BL, il y a une grande fermeture, comme AX2-3 (\(p<\) 0,017), ainsi que l'AX3 (avec le même niveau de BL) отклонение, чем AX2 avec DPR 190 мкм/Вт. Dans l'air, AX1 avec un BL plus élevé a un écart plus grand que AX2-3 (significatif, \(p<\) 0,017), tandis qu'AX3 (avec un BL le plus bas) a un écart plus grand que AX2 avec un DPR de 190 μm/W. Dans l'eau à 20 mm, aucune différence significative (\(p>\) 0,017) n'a été trouvée dans la déflexion et le PTE pour AX1–3. Dans l'eau à 20 mm, aucune différence significative (\(p>\) 0,017) n'a été trouvée dans la déflexion et le PTE pour AX1–3. L'eau de glubine 20 mm est fournie à une hauteur (\(p>\) 0,017) pour le programme et le FFT pour AX1–3, ce n'est pas nécessaire. Dans l'eau à une profondeur de 20 mm, des différences significatives (\(p>\) 0,017) de déflexion et de FTR ont été détectées pour AX1–3.Diamètre de 20 mm, axe AX1-3 et axe PTE (\(p>\) 0,017)。 Dans 20 mm d'eau, il n'y avait pas de différence significative entre AX1-3 et PTE (\(p>\) 0,017). Le programme PTE AX1-3 avec une solution de 20 mm ne dépasse pas (\(p>\) 0,017). À une profondeur de 20 mm, la déflexion et la PTE AX1-3 ne différaient pas de manière significative (\(p>\) 0,017).Les niveaux de PTE dans l'eau (90,2 à 98,4 %) étaient généralement plus élevés que dans l'air (56 à 77,5 %) (Fig. 12c), et le phénomène de cavitation a été noté lors de l'expérience dans l'eau (Fig. 13, voir aussi complément). information).
Les mesures d'amplitude de flexion des pointes (moyenne ± écart type, n = 5) pour les chanfreins L et AX1-3 dans l'air et l'eau (profondeur 20 mm) ont révélé l'effet du changement de géométrie du chanfrein.Les mesures sont obtenues en utilisant une excitation sinusoïdale continue à fréquence unique.(a) Déviation maximale (\(u_y\vec {j}\)) au sommet, mesurée à (b) leurs fréquences modales respectives \(f_2\).(c) Efficacité de transmission de puissance (PTE, rms, %) sous forme d'équation.(4) et (d) Facteur de puissance de déviation (DPR, µm/W) calculé en tant que déviation de crête et puissance de transmission \(P_T\) (Wrms).
Tracé d'ombre typique d'une caméra à grande vitesse montrant la déviation totale de la pointe de la lancette (lignes pointillées vertes et rouges) de la lancette (L) et de la pointe axisymétrique (AX1-3) dans l'eau (profondeur 20 mm), demi-cycle, fréquence d'entraînement \(f_2\) (échantillonnage de fréquence 310 kHz).L'image en niveaux de gris capturée a des dimensions de 128 × 128 pixels avec une taille de pixel de \(\environ) 5 µm.La vidéo peut être trouvée dans les informations supplémentaires.
Ainsi, nous avons modélisé le changement de longueur d'onde de courbure (Fig. 7) et calculé la mobilité mécanique pour le transfert pour les combinaisons lancéolées, asymétriques et axiales conventionnelles de longueur de tube et de biseau (Fig. 8, 9).Géométrie biseautée symétrique.Sur la base de ce dernier, nous avons estimé la distance optimale entre la pointe et la soudure à 43 mm (ou \(\approx\) 2,75\(\lambda_y\) à 29,75 kHz), comme le montre la figure 5, et avons fabriqué trois biseaux axisymétriques avec différentes longueurs de biseau.Nous avons ensuite caractérisé leurs réponses en fréquence par rapport aux lancettes conventionnelles dans l'air, l'eau et 10 % (p/v) de gélatine balistique (Figures 10, 11) et avons déterminé le meilleur cas pour comparer le mode de déviation d'inclinaison.Enfin, nous avons mesuré la déflexion de la pointe par onde de courbure dans l'air et l'eau à une profondeur de 20 mm et quantifié l'efficacité du transfert de puissance (PTE, %) et le facteur de puissance de déflexion (DPR, µm/W) du milieu injecté pour chaque inclinaison.type (Fig. 12).
Les résultats montrent que l’axe d’inclinaison de la géométrie affecte la déviation d’amplitude de l’axe de pointe.La lancette présentait la courbure la plus élevée ainsi que le DPR le plus élevé par rapport au biseau axisymétrique, tandis que le biseau axisymétrique présentait un écart moyen plus faible (Fig. 12). Le biseau à symétrie axiale de 4 mm (AX1), ayant la longueur de biseau la plus longue, a obtenu la déviation la plus élevée dans l'air, statistiquement significative (\(p < 0,017\), Tableau 2), par rapport aux autres aiguilles à symétrie axisymétrique (AX2–3), mais aucune différence significative n'a été observée lorsque l'aiguille a été placée dans l'eau. Le biseau à symétrie axiale de 4 mm (AX1), ayant la longueur de biseau la plus longue, a obtenu la déviation la plus élevée dans l'air, statistiquement significative (\(p < 0,017\), Tableau 2), par rapport aux autres aiguilles à symétrie axisymétrique (AX2–3), mais aucune différence significative n'a été observée lorsque l'aiguille a été placée dans l'eau. Осесимметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статистически значимого наибольшего отклонения в воздухе (\(p <0,0 17\), tableau 2) pour la mise en relation des deux jeux d'éclairage (AX2–3). Le biseau axisymétrique de 4 mm (AX1), ayant la longueur de biseau la plus longue, a obtenu une déviation dans l'air statistiquement significativement plus grande (\(p < 0,017\), tableau 2) par rapport aux autres aiguilles axisymétriques (AX2-3).mais aucune différence significative n’a été observée lors du placement de l’aiguille dans l’eau.AX2-3) AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3 AX2-3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。 Comparée à d'autres aiguilles à symétrie axiale (AX2-3), elle présente l'angle oblique le plus long de 4 mm à symétrie axiale (AX1) dans l'air, et elle a atteint une déviation maximale statistiquement significative (\(p < 0,017\), Tableau 2) , mais lorsque l’aiguille a été placée dans l’eau, aucune différence significative n’a été observée. L'épaisseur mesurée de 4 mm (AX1) avec l'épaisseur maximale de l'eau est statistiquement maximale lors de l'ouverture de l'eau. Les médicaments osésimétriques (AX2-3) (\(p < 0,017\), tableau 2), ne sont pas adaptés à la situation. La pente axisymétrique avec la longueur de pente la plus longue de 4 mm (AX1) a fourni un écart maximal statistiquement significatif dans l'air par rapport aux autres pentes axisymétriques (AX2-3) (\(p < 0,017\), tableau 2), mais il n'y avait pas différence significative.est observée lorsque l’aiguille est placée dans l’eau.Ainsi, une longueur de biseau plus longue ne présente aucun avantage évident en termes de déflexion de la pointe du pic.En tenant compte de cela, il s’avère que la géométrie de la pente, étudiée dans cette étude, a une plus grande influence sur la déflexion en amplitude que la longueur de la pente.Cela peut être lié à la rigidité à la flexion, par exemple, en fonction du matériau plié et de l'épaisseur totale de l'aiguille de construction.
Dans les études expérimentales, l’ampleur de l’onde de flexion réfléchie est affectée par les conditions aux limites de la pointe.Lorsque la pointe de l'aiguille a été insérée dans l'eau et la gélatine, \(\text {PTE}_{2}\) a fait une moyenne de \(\approx\) 95 % et \(\text {PTE}_{2}\) a fait la moyenne des valeurs sont respectivement 73 % et 77 % (\text {PTE}_{1}\) et \(\text {PTE}_{3}\) (Fig. 11).Cela indique que le transfert maximal d'énergie acoustique vers le milieu de coulée (par exemple, l'eau ou la gélatine) se produit à \(f_2\).Un comportement similaire a été observé dans une étude précédente utilisant des structures de dispositifs plus simples à des fréquences de 41 à 43 kHz, où les auteurs ont démontré le coefficient de réflexion de tension associé au module mécanique du milieu intercalé.La profondeur de pénétration32 et les propriétés mécaniques du tissu exercent une charge mécanique sur l'aiguille et devraient donc influencer le comportement résonnant de l'UZeFNAB.Par conséquent, des algorithmes de suivi de résonance tels que 17, 18, 33 peuvent être utilisés pour optimiser la puissance du son délivré via le stylet.
La modélisation de la longueur d'onde de courbure (Fig. 7) montre que l'axisymétrique a une rigidité structurelle plus élevée (c'est-à-dire une rigidité à la flexion plus élevée) à la pointe que la lancette et le biseau asymétrique.Dérivé de (1) et en utilisant la relation vitesse-fréquence connue, nous estimons la rigidité en flexion des pointes de lancette, asymétriques et axisymétriques sous forme de pentes \(\environ) 200, 20 et 1500 MPa, respectivement.Cela correspond à (\lambda _y\) 5,3, 1,7 et 14,2 mm à 29,75 kHz, respectivement (Fig. 7a – c).Compte tenu de la sécurité clinique de la procédure USeFNAB, l’influence de la géométrie sur la rigidité de la conception en biseau doit être évaluée34.
L'étude des paramètres du biseau et de la longueur du tube (Fig. 9) a montré que la plage TL optimale pour le biseau asymétrique (1,8 mm) était plus élevée que pour le biseau axisymétrique (1,3 mm).De plus, le plateau de mobilité varie respectivement de 4 à 4,5 mm et de 6 à 7 mm pour l'inclinaison asymétrique et axisymétrique (Fig. 9a, b).La pertinence pratique de cette découverte s’exprime dans les tolérances de fabrication ; par exemple, une plage inférieure de TL optimale peut impliquer la nécessité d’une plus grande précision de longueur.Dans le même temps, la plateforme de rendement offre une plus grande tolérance pour le choix de la longueur de la pente à une fréquence donnée sans affecter de manière significative le rendement.
L'étude comprend les limites suivantes.La mesure directe de la déviation de l’aiguille à l’aide de la détection des bords et de l’imagerie à grande vitesse (Figure 12) signifie que nous sommes limités aux supports optiquement transparents tels que l’air et l’eau.Nous tenons également à souligner que nous n'avons pas utilisé d'expériences pour tester la mobilité de transfert simulée et vice versa, mais que nous avons utilisé des études FEM pour déterminer la longueur optimale de l'aiguille fabriquée.Du point de vue des limitations pratiques, la longueur de la lancette, de la pointe au manchon, est 0,4 cm plus longue que celle des autres aiguilles (AX1-3), voir fig.3b.Cela peut avoir affecté la réponse modale de la structure aciculaire.De plus, la forme et le volume de la soudure au plomb du guide d'ondes (voir Figure 3) peuvent affecter l'impédance mécanique de la conception de la broche, entraînant des erreurs d'impédance mécanique et de comportement en flexion.
Enfin, nous avons démontré expérimentalement que la géométrie du biseau affecte la quantité de déflexion dans USeFNAB.Dans les situations où une amplitude de déviation plus élevée peut avoir un effet positif sur l'effet de l'aiguille sur le tissu, par exemple, l'efficacité de coupe après ponction, une lancette conventionnelle peut être recommandée pour USeFNAB, car elle offre la plus grande amplitude de déviation tout en conservant une rigidité suffisante. à la pointe du dessin.En outre, une étude récente a montré qu'une plus grande déviation de la pointe peut améliorer les effets biologiques tels que la cavitation, ce qui pourrait aider à développer des applications pour des interventions chirurgicales mini-invasives.Étant donné qu’il a été démontré que l’augmentation de la puissance acoustique totale augmente le rendement de la biopsie de USeFNAB13, des études quantitatives supplémentaires sur le rendement et la qualité des échantillons sont nécessaires pour évaluer le bénéfice clinique détaillé de la géométrie de l’aiguille étudiée.
Frable, WJ Biopsie par aspiration à l'aiguille fine : une revue.Hum.Malade.14 : 9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Heure de publication : 13 octobre 2022