Hvala što ste posjetili Nature.com.Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Nedavno je pokazano da uporaba ultrazvuka povećava iskorištenje tkiva kod aspiracije tankom iglom potpomognute ultrazvukom (USeFNAB) u usporedbi s konvencionalnom aspiracijom tankom iglom (FNAB).Do danas odnos između geometrije kosine i kretanja vrha nije temeljito proučen.U ovoj studiji istraživali smo svojstva rezonancije igle i amplitude otklona za različite geometrije skošenja igle s različitim duljinama skošenja.Korištenjem konvencionalne 3,9 mm zakošene lancete, faktor otklona vrha (DPR) u zraku i vodi bio je 220 odnosno 105 µm/W.To je više od osnosimetričnog 4 mm zakošenog vrha, pružajući 180 odnosno 80 µm/W DPR u zraku i vodi.Ova studija naglašava važnost odnosa između krutosti na savijanje geometrije kosine u kontekstu različitih načina umetanja i stoga može pružiti uvid u metode za kontrolu djelovanja rezanja nakon probijanja promjenom geometrije kosine igle, što je važno.za USeFNAB aplikaciju je kritično.
Aspiracijska biopsija tankom iglom (FNA) metoda je dobivanja uzoraka tkiva za sumnju na patologiju1,2,3 pomoću igle.Franseenov vrh pokazao je bolju dijagnostičku učinkovitost od konvencionalnih lancetnih4 i Menghini5 vrhova.Također se predlažu osnosimetrični (tj. periferni) nagibi kako bi se povećala vjerojatnost histopatološki odgovarajućih uzoraka.
Tijekom biopsije, igla se provlači kroz slojeve kože i tkiva kako bi se pristupilo sumnjivim lezijama.Nedavne studije su pokazale da ultrazvuk može smanjiti silu prodiranja potrebnu za pristup mekim tkivima7,8,9,10.Pokazalo se da geometrija kosine igle utječe na sile interakcije igle, na primjer, pokazalo se da dulja kosina ima manje sile prodiranja u tkivo11.Nakon što je igla prodrla u površinu tkiva, odnosno nakon uboda, sila rezanja igle može biti 75% sile interakcije igle s tkivom12.Dokazano je da u postpunkcijskoj fazi ultrazvuk (ultrazvuk) povećava učinkovitost dijagnostičke biopsije mekog tkiva.Razvijene su i druge tehnike biopsije kostiju poboljšane ultrazvukom za uzimanje uzoraka tvrdog tkiva, ali nisu zabilježeni rezultati koji bi poboljšali učinak biopsije.Brojne studije također su potvrdile da se mehanički pomak povećava kada je podvrgnut ultrazvučnom stresu16,17,18.Iako postoje mnoge studije o aksijalnim (uzdužnim) statičkim silama u interakcijama igle i tkiva19,20, postoje ograničene studije o vremenskoj dinamici i geometriji kosine igle pod ultrazvučnim FNAB (USeFNAB).
Cilj ovog istraživanja bio je istražiti učinak različitih geometrija kosine na pomicanje vrha igle u igli pokretanoj ultrazvučnim savijanjem.Konkretno, istražili smo učinak medija za ubrizgavanje na otklon vrha igle nakon uboda za tradicionalne zakošene igle (tj. USeFNAB igle za razne svrhe kao što je selektivna aspiracija ili uzimanje mekog tkiva).
U ovu studiju uključene su različite geometrije kosina.(a) Specifikacija Lanceta u skladu je s ISO 7864:201636 gdje je \(\alpha\) primarna kosina, \(\theta\) kut rotacije sekundarne kosine, a \(\phi\) je sekundarna kosina kut., pri rotaciji, u stupnjevima (\(^\circ\)).(b) Linearna asimetrična jednostruka skošenja (nazvana "standard" u DIN 13097:201937) i (c) Linearna osnosimetrična (obodna) jednostruka skošenja.
Naš pristup počinje modeliranjem promjene valne duljine savijanja duž kosine za konvencionalne lancetaste, osnosimetrične i asimetrične jednostupanjske geometrije kosine.Zatim smo izračunali parametarsku studiju kako bismo ispitali učinak nagiba i duljine cijevi na mehaničku fluidnost prijenosa.To je potrebno za određivanje optimalne duljine za izradu prototipa igle.Na temelju simulacije izrađeni su prototipovi igala i eksperimentalno je karakterizirano njihovo rezonantno ponašanje mjerenjem koeficijenata refleksije napona i proračunom učinkovitosti prijenosa snage u zraku, vodi i 10% (w/v) balističkoj želatini, iz čega je određena radna frekvencija. .Konačno, snimanje velikom brzinom koristi se za izravno mjerenje otklona vala savijanja na vrhu igle u zraku i vodi, kao i za procjenu električne snage isporučene pod svakim kosim kutom i geometrije omjera snage otklona ( DPR) na ubrizgani medij..
Kao što je prikazano na slici 2a, koristite cijev promjera 21 (OD 0,80 mm, ID 0,49 mm, debljina stijenke cijevi 0,155 mm, standardna stijenka) za definiranje cijevi igle s duljinom cijevi (TL) i kutom kosine (BL) u skladu s ISO 9626:201621) u nehrđajućem čeliku 316 (Youngov modul 205 \(\text {GN/m}^{2}\), gustoća 8070 kg/m\(^{3}\) i Poissonov omjer 0,275).
Određivanje valne duljine savijanja i podešavanje modela konačnih elemenata (FEM) za igle i rubne uvjete.(a) Određivanje duljine skošenja (BL) i duljine cijevi (TL).(b) Trodimenzionalni (3D) model konačnih elemenata (FEM) koji koristi harmoničku točku sile \(\tilde{F}_y\vec {j}\) za pokretanje igle proksimalno, otklon točke i mjerenje brzine na tip (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) za izračun prijenosa mehaničke fluidnosti.\(\lambda _y\) definira se kao valna duljina savijanja u odnosu na okomitu silu \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definicije težišta, površine poprečnog presjeka A i momenata tromosti \(I_{xx}\) i \(I_{yy}\) oko x odnosno y osi.
Kao što je prikazano na sl.2b,c, za beskonačni (beskonačni) snop s površinom poprečnog presjeka A i na valnoj duljini većoj od veličine poprečnog presjeka snopa, savijena (ili savijena) fazna brzina \( c_{EI }\) određena je s 22 :
gdje je E Youngov modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je kutna frekvencija pobude (rad/s), gdje \( f_0 \ ) je linearna frekvencija (1/s ili Hz), I je moment tromosti područja oko interesne osi\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) je masa na jedinici duljine (kg/m), gdje je \(\rho _0\) gustoća\((\text {kg/m}^{3})\), a A je križ presjek područja grede (xy ravnina) (\(\ tekst {m}^{2}\)).Budući da je sila primijenjena u našem primjeru paralelna s okomitom y-osi, tj. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zanima nas samo regionalni moment tromosti oko vodoravne x-osi, tj. \(I_{xx}\), dakle:
Za model konačnih elemenata (FEM) pretpostavlja se čisti harmonijski pomak (m), pa se ubrzanje (\(\text {m/s}^{2}\)) izražava kao \(\partial ^2 \vec { u}/ \ djelomično t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) kao \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) je trodimenzionalni vektor pomaka zadan u prostornim koordinatama.Umjesto potonjeg, u skladu s njegovom implementacijom u programskom paketu COMSOL Multiphysics (verzije 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, SAD), konačni deformacijski Lagrangeov oblik zakona ravnoteže količine gibanja dan je kako slijedi:
gdje je \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je operator divergencije tenzora, \({\underline{\sigma}}\) je drugi Piola-Kirchhoffov tenzor naprezanja (drugog reda, \(\ text { N/ m}^{2}\)) i \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) je vektor tjelesne sile (\(\text {N/m}^{3}\)) za svaki deformirani volumen, a \(e^{j\phi }\) je vektor faznog kuta\(\ phi \ ) ( radostan).U našem slučaju, volumna sila tijela je nula, naš model pretpostavlja geometrijsku linearnost i malu čisto elastičnu deformaciju, tj. gdje je \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) i \({\underline {\varepsilon}}\) su elastična deformacija i ukupna deformacija (drugog reda, bez dimenzija).Hookeov konstitutivni izotropni tenzor elastičnosti \(\underline{\underline{C}}\) izračunava se pomoću Youngovog modula E (\(\text {N/m}^{2}\)) i određuje se Poissonov omjer v, tako da tj. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (četvrti red).Dakle, izračun naprezanja postaje \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Izračun koristi tetraedarski element s 10 čvorova s veličinom elementa \(\le\) od 8 µm.Igla je modelirana u vakuumu, a vrijednost prenesene mehaničke pokretljivosti (ms-1 N-1) definirana je kao \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, gdje je \(\tilde{v}_y\vec {j}\) izlazna kompleksna brzina nasadnika i \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) je složena pokretačka sila smještena na proksimalnom kraju cijevi, kao što je prikazano na slici 2b.Prevedite mehaničku fluidnost u decibele (dB) koristeći najveću vrijednost kao referencu, tj. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Sva FEM istraživanja provedena su na frekvenciji od 29,75 kHz.
Dizajn igle (Sl. 3) sastoji se od konvencionalne potkožne igle promjera 21 (kat. br. 4665643, Sterican\(^\zaokruženoR\), vanjskog promjera 0,8 mm, duljine 120 mm, AISI 304 nehrđajućeg krom-nikal čelik , B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Njemačka) opremljen plastičnim Luer Lock rukavcem izrađenim od polipropilena na proksimalnom kraju i prikladno modificiranim na kraju.Cijev igle je zalemljena na valovod kao što je prikazano na slici 3b.Valovodi su ispisani na 3D printeru od nehrđajućeg čelika (nehrđajući čelik EOS 316L na 3D printeru EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finska) i zatim pričvršćeni na Langevinov senzor pomoću M4 vijaka.Langevinov senzor sastoji se od 8 piezoelektričnih prstenastih elemenata opterećenih na oba kraja s dvije mase.
Četiri vrste vrhova (fotografija), komercijalno dostupna lanceta (L) i tri proizvedena osnosimetrična jednostupanjska kosina (AX1-3) karakterizirana su duljinom kosine (BL) od 4, 1,2 i 0,5 mm, redom.(a) Krupni plan gotovog vrha igle.(b) Pogled odozgo na četiri igle zalemljene na 3D tiskani valovod i zatim spojene na Langevinov senzor vijcima M4.
Proizvedena su tri osnosimetrična skošena vrha (Sl. 3) (TAs Machine Tools Oy) s duljinama skošenja (BL, kako je definirano na Sl. 2a) od 4,0, 1,2 i 0,5 mm, što odgovara \(\približno) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) odnosno 18\(^\circ\).Masa valovoda i igle je 3,4 ± 0,017 g (srednja vrijednost ± sd, n = 4) za kosine L odnosno AX1-3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Njemačka) .Za kosine L i AX1-3 na slici 3b, ukupna duljina od vrha igle do kraja plastične čahure bila je 13,7, 13,3, 13,3, odnosno 13,3 cm.
Za sve konfiguracije igle, duljina od vrha igle do vrha valovoda (tj. do područja zavara) bila je 4,3 cm, a cijev igle bila je usmjerena s rezom prema gore (tj. paralelno s osi Y) , kao što je prikazano na slici.c (slika 2).
Prilagođena skripta u MATLAB-u (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, SAD) pokrenuta na računalu (Latitude 7490, Dell Inc., Teksas, SAD) korištena je za generiranje linearnog sinusoidnog pomicanja od 25 do 35 kHz tijekom 7 sekundi, prolaz Digitalno-analogni (DA) pretvarač (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, SAD) pretvara u analogni signal.Analogni signal \(V_0\) (0,5 Vp-p) zatim je pojačan namjenskim radiofrekvencijskim (RF) pojačalom (Mariachi Oy, Turku, Finska).Padajući pojačani napon \({V_I}\) iz RF pojačala s izlaznom impedancijom od 50 ohma dovodi se do transformatora ugrađenog u strukturu igle s ulaznom impedancijom od 50 ohma.Langevinovi pretvarači (prednji i stražnji višeslojni piezoelektrični pretvarači za teške uvjete rada) koriste se za generiranje mehaničkih valova.Prilagođeno RF pojačalo opremljeno je dvokanalnim mjeračem faktora snage stojnog vala (SWR) koji bilježi upadni \({V_I}\) i reflektirani pojačani napon\(V_R\) u analogno-digitalnom (AD) načinu rada.s brzinom uzorkovanja od 300 kHz Converter (analogni Discovery 2).Pobudni signal je amplitudno moduliran na početku i na kraju kako bi se spriječilo preopterećenje ulaza pojačala prijelaznim pojavama.
Korištenjem prilagođene skripte implementirane u MATLAB-u, funkcija frekvencijskog odziva (FRF), tj. \(\tilde{H}(f)\), procijenjena je offline korištenjem dvokanalne sinusoidalne metode mjerenja (Sl. 4), koja pretpostavlja linearnost u vremenu.invarijantni sustav.Osim toga, primjenjuje se propusni filter od 20 do 40 kHz kako bi se uklonile sve neželjene frekvencije iz signala.Pozivajući se na teoriju prijenosnih vodova, u ovom slučaju \(\tilde{H}(f)\) je ekvivalentan koeficijentu refleksije napona, tj. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) smanjuje se na \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) jednako \(|\rho _{V}|^2\).U slučajevima kada su potrebne apsolutne vrijednosti električne snage, upadna snaga \(P_I\) i reflektirana snaga \(P_R\) snaga (W) izračunavaju se uzimanjem efektivne vrijednosti (rms) odgovarajućeg napona, na primjer.za prijenosni vod sa sinusoidnom pobudom \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, gdje je \(Z_0\) jednako 50 \(\Omega\).Električna snaga dovedena do opterećenja \(P_T\) (tj. umetnutog medija) može se izračunati kao \(|P_I – P_R |\) (W RMS), kao i učinkovitost prijenosa snage (PTE) i postotak ( %) može se odrediti kako je zadan oblik, dakle 27:
Acikularne modalne frekvencije \(f_{1-3}\) (kHz) i njihovi odgovarajući faktori prijenosa snage \(\text {PTE}_{1{-}3} \) zatim se procjenjuju pomoću FRF-a.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) procijenjeno izravno iz \(\text {PTE}_{1{-}3}\), iz Tablice 1 A jednostrano linearni spektar se dobiva na opisanoj modalnoj frekvenciji \(f_{1-3}\).
Mjerenje frekvencijskog odziva (AFC) igličastih struktura.Sinusoidno dvokanalno mjerenje sweep-a25,38 koristi se za dobivanje funkcije frekvencijskog odziva \(\tilde{H}(f)\) i njegovog impulsnog odziva H(t).\({\mathcal {F}}\) i \({\mathcal {F}}^{-1}\) predstavljaju Fourierovu transformaciju digitalnog skraćivanja odnosno njen inverz.\(\tilde{G}(f)\) znači umnožak dvaju signala u frekvencijskoj domeni, npr. \(\tilde{G}_{XrX}\) znači inverzni umnožak skeniranja\(\tilde{ X} r (f)\ ) odnosno pad napona \(\tilde{X}(f)\).
Kao što je prikazano na slici 5, kamera velike brzine (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, SAD) opremljena je makro lećom (MP-E 65 mm, \(f\)/2,8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokyo, Japan), za snimanje otklona vrha tijekom pobude savijanjem (jednofrekventna, kontinuirana sinusoida) na frekvencijama od 27,5-30 kHz.Za izradu mape sjena, ohlađeni element bijele LED diode visokog intenziteta (broj dijela: 4052899910881, bijela LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Njemačka) postavljen je iza vrha igle.
Pogled sprijeda na eksperimentalni postav.Dubina se mjeri od površine medija.Struktura igle je stegnuta i postavljena na motorizirani prijenosni stol.Upotrijebite kameru velike brzine s lećom velikog povećanja (5\(\x\)) za mjerenje odstupanja kosog kuta.Sve dimenzije su u milimetrima.
Za svaku vrstu kosine igle snimili smo 300 sličica brze kamere od 128 \(\x\) 128 piksela, svaka s prostornom rezolucijom od 1/180 mm (\(\približno) 5 µm), s vremenska rezolucija od 310 000 sličica u sekundi.Kao što je prikazano na slici 6, svaki okvir (1) je izrezan (2) tako da je vrh igle u posljednjoj liniji (dnu) okvira, a izračunava se histogram slike (3), tako da Canny mogu se odrediti pragovi 1 i 2.Zatim primijenite otkrivanje rubova Canny 28(4) sa Sobelovim operatorom 3 \(\times\) 3 i izračunajte položaje za piksele bez hipotenuze (označene s \(\mathbf {\times }\)) bez kavitacije u 300 vremenskih koraka.Za određivanje raspona otklona vrha, izračunajte derivaciju (koristeći algoritam središnje razlike) (6) i odredite okvir (7) koji sadrži lokalne ekstreme (tj. vrh) otklona.Nakon vizualnog pregleda ruba bez kavitacije, odabran je par okvira (ili dva okvira s intervalom od poluvremena) (7) i izmjeren je otklon vrha (označen kao \(\mathbf {\times } \) ).Gore navedeno implementirano je u Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) pomoću algoritma za otkrivanje rubova OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteka računalnog vida otvorenog koda, opencv.org).Na kraju, faktor snage otklona (DPR, µm/W) izračunava se kao omjer otklona od vrha do vrha i prenesene električne snage \(P_T\) (Wrms).
Koristeći algoritam u 7 koraka (1-7), uključujući obrezivanje (1-2), otkrivanje Canny rubova (3-4), izračun, izmjerite položaj piksela ruba otklona vrha pomoću niza okvira uzetih iz visoko kamera za brzinu na 310 kHz ( 5) i njenu vremensku derivaciju (6), te se na kraju mjeri raspon otklona vrha na vizualno provjerenim parovima okvira (7).
Mjereno u zraku (22,4-22,9°C), deioniziranoj vodi (20,8-21,5°C) i 10% (w/v) vodenoj balističkoj želatini (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatina od goveđe i svinjske kosti za balističku analizu tipa I, Honeywell International, Sjeverna Karolina, SAD).Temperatura je mjerena s termoelementom tipa K (AD595, Analog Devices Inc., MA, SAD) i termoelementom tipa K (Fluke 80PK-1 Bead Probe br. 3648 tip-K, Fluke Corporation, Washington, SAD).Upotrijebite vertikalni motorizirani postolje Z-osi (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litva) za mjerenje dubine od površine medija (postavljenog kao ishodište Z-osi) s rezolucijom od 5 µm po koraku.
Budući da je veličina uzorka bila mala (n = 5) i nije se mogla pretpostaviti normalnost, korišten je Wilcoxonov test zbroja rangova s dva uzorka (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). za usporedbu količine varijance vrha igle za različite kosine.Napravljene su tri usporedbe za svaki nagib, pa je primijenjena Bonferronijeva korekcija s prilagođenom razinom značajnosti od 0,017 i stopom pogreške od 5%.
Upućivanje je na sliku 7 u nastavku.Na 29,75 kHz, zakrivljena poluvalna duljina (\(\lambda _y/2\)) igle kalibra 21 je \(\približno) 8 mm.Valna duljina savijanja smanjuje se duž nagiba kako se približava vrhu.Na vrhu \(\lambda _y/2\) nalaze se stepenasti zakošeni dijelovi od 3, 1 odnosno 7 mm za obične lancete (a), asimetrične (b) i osnosimetrične (c).Dakle, to znači da će se lanceta razlikovati za \(\oko\) 5 mm (zbog činjenice da dvije ravnine lancete tvore točku 29,30), asimetrični nagib će varirati za 7 mm, a simetrični nagib za 1 mm.Osnosimetrične kosine (težište ostaje isto, pa se uz kosinu zapravo mijenja samo debljina stijenke).
Primjena FEM studije na 29,75 kHz i jednadžbe.(1) Izračunajte promjenu poluvala savijanja (\(\lambda _y/2\)) za lancetastu (a), asimetričnu (b) i osnosimetričnu (c) kosu geometriju (kao na sl. 1a,b,c).).Prosječni \(\lambda_y/2\) za lancetaste, asimetrične i osnosimetrične nagibe je 5,65, 5,17, odnosno 7,52 mm.Imajte na umu da je debljina vrha za asimetrične i osnosimetrične kosine ograničena na \(\približno) 50 µm.
Vršna pokretljivost \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je kombinacija optimalne duljine cijevi (TL) i duljine nagiba (BL) (sl. 8, 9).Za konvencionalnu lancetu, budući da je njezina veličina fiksna, optimalni TL je \(\približno\) 29,1 mm (slika 8).Za asimetrične i osnosimetrične nagibe (sl. 9a, b, respektivno), FEM studija je uključivala BL od 1 do 7 mm, tako da su optimalni rasponi TL bili od 26,9 do 28,7 mm (raspon 1,8 mm) i od 27,9 do 29,2 mm (raspon 1,3 mm).) ), odnosno.Za asimetrične nagibe (slika 9a), optimalni TL raste linearno, dostižući plato na BL 4 mm, a zatim se naglo smanjuje s BL 5 na 7 mm.Za osnosimetrične nagibe (slika 9b), optimalni TL raste linearno s produljenjem BL i konačno se stabilizira na BL od 6 do 7 mm.Proširena studija osnosimetričnih nagiba (slika 9c) pokazala je drugačiji skup optimalnih TL-ova koji se nalaze na \(\približno) 35,1–37,1 mm.Za sve BL, udaljenost između dva skupa optimalnih TL je \(\približno\) 8 mm (ekvivalentno \(\lambda _y/2\)).
Pokretljivost prijenosa lancete na 29,75 kHz.Cijev igle je savijena na frekvenciji od 29,75 kHz, vibracija je izmjerena na kraju i izražena kao količina prenesene mehaničke pokretljivosti (dB u odnosu na maksimalnu vrijednost) za TL 26,5-29,5 mm (korak od 0,1 mm).
Parametrijske studije FEM-a na frekvenciji od 29,75 kHz pokazuju da na pokretljivost prijenosa osnosimetričnog vrha manje utječu promjene u duljini cijevi od njegovog asimetričnog dvojnika.Studije duljine kosine (BL) i duljine cijevi (TL) za asimetrične (a) i osnosimetrične (b, c) geometrije kosine u studijama frekvencijske domene korištenjem FEM (rubni uvjeti prikazani su na slici 2).(a, b) TL je bio u rasponu od 26,5 do 29,5 mm (korak od 0,1 mm), a BL 1-7 mm (korak od 0,5 mm).(c) Proširena osnosimetrična studija kosog kuta uključujući TL 25-40 mm (korak od 0,05 mm) i 0,1-7 mm (korak od 0,1 mm) koji otkriva željeni omjer \(\lambda_y/2\) Rubni uvjeti labavog pomicanja za vrh su zadovoljeni.
Struktura igle ima tri prirodne frekvencije \(f_{1-3}\) podijeljene u niske, srednje i visoke modalne regije kao što je prikazano u tablici 1. Veličina PTE prikazana je na slici 10, a zatim analizirana na slici 11. Ispod su rezultati za svako modalno područje:
Tipične snimljene amplitude trenutne učinkovitosti prijenosa snage (PTE) dobivene uporabom sinusoidalne pobude s frekvencijom prelaska na dubini od 20 mm za lancetu (L) i osnosimetričnim nagibima AX1-3 u zraku, vodi i želatini.Prikazan je jednostrani spektar.Izmjereni frekvencijski odziv (brzina uzorkovanja od 300 kHz) je niskopropusno filtriran, a zatim smanjen za faktor 200 za modalnu analizu.Omjer signal-šum je \(\le\) 45 dB.PTE faza (ljubičasta isprekidana linija) prikazana je u stupnjevima (\(^{\circ}\)).
Analiza modalnog odgovora prikazana je na slici 10 (srednja vrijednost ± standardna devijacija, n = 5) za nagibe L i AX1-3 u zraku, vodi i 10% želatine (dubina 20 mm) s (gornja) tri modalna područja (nisko , srednje visok).), i njihove odgovarajuće modalne frekvencije\(f_{1-3}\) (kHz), (prosječna) energetska učinkovitost\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) koristi projektne jednadžbe.(4) i (dolje) puna su širina na polovici maksimalne izmjerene vrijednosti \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Imajte na umu da se prilikom snimanja niskog PTE-a, tj. u slučaju nagiba AX2, mjerenje propusnosti izostavlja, \(\text {FWHM}_{1}\).Način rada \(f_2\) smatra se najprikladnijim za usporedbu otklona nagnutih ravnina, budući da pokazuje najvišu razinu učinkovitosti prijenosa snage (\(\text {PTE}_{2}\)), do 99% .
Prvo modalno područje: \(f_1\) ne ovisi mnogo o vrsti umetnutog medija, ali ovisi o geometriji kosine.\(f_1\) smanjuje se sa smanjenjem duljine kosine (27,1, 26,2 i 25,9 kHz za AX1-3, redom, u zraku).Regionalni prosjeci \(\text {PTE}_{1}\) i \(\text {FWHM}_{1}\) su \(\približno\) 81% odnosno 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) bio je najveći u želatini iz Lanceta (L, 473 Hz).Imajte na umu da se \(\text {FWHM}_{1}\) za AX2 u želatini ne može procijeniti zbog niske veličine prijavljenih frekvencijskih odgovora.
Drugo modalno područje: \(f_2\) ovisi o vrsti paste i medija za košenje.U zraku, vodi i želatini, prosječne \(f_2\) vrijednosti su 29,1, 27,9 i 28,5 kHz, redom.PTE za ovu modalnu regiju također je dosegao 99%, najviši među svim mjernim skupinama, s regionalnim prosjekom od 84%.Prosjek područja \(\text {FWHM}_{2}\) je \(\približno\) 910 Hz.
Treće modalno područje: \(f_3\) Frekvencija ovisi o vrsti medija za umetanje i kosini.Prosječne \(f_3\) vrijednosti su 32,0, 31,0 i 31,3 kHz u zraku, vodi i želatini, redom.\(\text {PTE}_{3}\) ima regionalni prosjek od \(\otprilike\) 74%, što je najniže u bilo kojoj regiji.Regionalni prosjek \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\približno\) 1085 Hz, što je više od prve i druge regije.
Sljedeće se odnosi na sl.12 i Tablica 2. Lanceta (L) se najviše otklonila (s visokom značajnošću za sve vrhove, \(p<\) 0,017) i u zraku i u vodi (Sl. 12a), postigavši najveći DPR (do 220 µm/ W u zraku). 12 i Tablica 2. Lanceta (L) se najviše otklonila (s visokom značajnošću za sve vrhove, \(p<\) 0,017) i u zraku i u vodi (Sl. 12a), postigavši najveći DPR (do 220 µm/ W u zraku). Sljedeće se odnosi na sliku 12 i tablicu 2. Lancet (L) je više odklonjen (s visokom značajnošću za sve nakonečnike, \(p<\) 0,017) kao u zraku, tako iu vodi (slika 12a), postignut je najviši DPR . Sljedeće se odnosi na sliku 12 i tablicu 2. Lanceta (L) se najviše skrenula (s visokom značajnošću za sve vrhove, \(p<\) 0,017) iu zraku iu vodi (slika 12a), postigavši najveći DPR.(do 220 μm/W u zraku).Upućuje se na sliku 12 i tablicu 2 u nastavku.柳叶刀(L) 在空气和水中（图12a）中偏转最大（对所有尖端具有高度意义）,\(p<\) 0,017），实现最高DPR （空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) ima najveću defleksiju u zraku i vodi (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), te postiže najveći DPR (do 220 µm/ W u zraku). Lancet (L) ima najveće odstupanje (sve značajno za sve nakonečnike, \(p<\) 0,017) u zraku i vodama (slika 12a), dostigavši najveći DPR (do 220 mkm/Vt u zraku). Lanceta (L) ima najveće odstupanje (visoko značajno za sve vrhove, \(p<\) 0,017) u zraku i vodi (Sl. 12a), dostižući najveći DPR (do 220 µm/W u zraku). U zraku, AX1 koji je imao viši BL, otklonio se više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (koji je imao najniži BL) otklonio više od AX2 s DPR-om od 190 µm/W. U zraku, AX1 koji je imao viši BL, otklonio se više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (koji je imao najniži BL) otklonio više od AX2 s DPR-om od 190 µm/W. U zraku AX1 s višim BL klonirao se više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (s najnižim BL) kloniran više od AX2 s DPR 190 mkm/Vt. U zraku, AX1 s višim BL otklonio se više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (s najnižim BL) otklonio više od AX2 s 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AX2, DPR 190 µm/W. U zraku, otklon AX1 s višim BL veći je od onog AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), a otklon AX3 (s najnižim BL) veći je od onog AX2, DPR je 190 µm/W. U zraku AX1 s višim BL ima veće otklone od AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), dok AX3 (s najnižim BL) ima veće otklone od AX2 s DPR 190 mkm/Vt. U zraku, AX1 s višim BL ima veće odstupanje od AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), dok AX3 (s najnižim BL) ima veće odstupanje od AX2 s DPR od 190 μm/W. U vodi na 20 mm nisu nađene značajne razlike (\(p>\) 0,017) u otklonu i PTE za AX1–3. U vodi na 20 mm nisu nađene značajne razlike (\(p>\) 0,017) u otklonu i PTE za AX1–3. U vodi na dubini od 20 mm točna razlika (\(p>\) 0,017) prema progibu i FTR za AX1–3 nije otkrivena. U vodi na dubini od 20 mm otkrivene su značajne razlike (\(p>\) 0,017) u otklonu i FTR-u za AX1–3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 U 20 mm vode nije bilo značajne razlike između AX1-3 i PTE (\(p>\) 0,017). Na dubini 20 mm progib i PTE AX1-3 bitno se nisu razlikovali (\(p>\) 0,017). Na dubini od 20 mm otklon i PTE AX1-3 nisu se značajno razlikovali (\(p>\) 0,017).Razine PTE u vodi (90,2–98,4%) bile su općenito više nego u zraku (56–77,5%) (Slika 12c), a fenomen kavitacije primijećen je tijekom eksperimenta u vodi (Slika 13, vidi i dodatne informacija).
Mjerenja amplitude savijanja vrha (srednja vrijednost ± standardna devijacija, n = 5) za L i AX1-3 skošenja u zraku i vodi (dubina 20 mm) otkrila su učinak promjene geometrije skošenja.Mjerenja se ostvaruju korištenjem kontinuirane jednofrekventne sinusne pobude.(a) Vršno odstupanje (\(u_y\vec {j}\)) na vrhu, mjereno na (b) njihovim odgovarajućim modalnim frekvencijama \(f_2\).(c) Učinkovitost prijenosa snage (PTE, rms, %) kao jednadžba.(4) i (d) Faktor snage odstupanja (DPR, µm/W) izračunat kao vršna devijacija i snaga prijenosa \(P_T\) (Wrms).
Tipični dijagram sjene brze kamere koji prikazuje ukupni otklon vrha lancete (zelene i crvene isprekidane linije) lancete (L) i osnosimetričnog vrha (AX1-3) u vodi (dubina 20 mm), pola ciklusa, frekvencija pogona \(f_2\) (frekvencija uzorkovanja 310 kHz).Snimljena slika u sivim tonovima ima dimenzije 128×128 piksela s veličinom piksela \(\približno) 5 µm.Video možete pronaći u dodatnim informacijama.
Stoga smo modelirali promjenu valne duljine savijanja (Sl. 7) i izračunali mehaničku pokretljivost za prijenos za konvencionalne lancetaste, asimetrične i aksijalne kombinacije duljine cijevi i kosine (Sl. 8, 9).Simetrična ukošena geometrija.Na temelju potonjeg, procijenili smo da je optimalna udaljenost vrha od zavara 43 mm (ili \(\približno\) 2,75\(\lambda_y\) na 29,75 kHz) kao što je prikazano na slici 5, i izradili smo tri osnosimetrična skošenja s različite duljine kosine.Zatim smo karakterizirali njihove frekvencijske odzive u usporedbi s konvencionalnim lancetama u zraku, vodi i 10% (w/v) balističkoj želatini (slike 10, 11) i odredili najbolji slučaj za usporedbu načina otklona nagiba.Konačno, izmjerili smo otklon vrha valom savijanja u zraku i vodi na dubini od 20 mm i kvantificirali učinkovitost prijenosa snage (PTE, %) i faktor snage otklona (DPR, µm/W) ubrizganog medija za svaki nagib.tipa (slika 12).
Rezultati pokazuju da os nagiba geometrije utječe na odstupanje amplitude osi vrha.Lanceta je imala najveću zakrivljenost i također najveći DPR u usporedbi s osnosimetričnim skošenjem, dok je osnosimetrično skošenje imalo manje srednje odstupanje (slika 12). Osnosimetrična kosina od 4 mm (AX1) koja ima najveću duljinu kosine, postigla je statistički značajno najveći otklon u zraku (\(p < 0,017\), Tablica 2), u usporedbi s drugim osnosimetričnim iglama (AX2–3), ali nisu primijećene značajne razlike kada je igla stavljena u vodu. Osnosimetrična kosina od 4 mm (AX1) koja ima najveću duljinu kosine, postigla je statistički značajno najveći otklon u zraku (\(p < 0,017\), Tablica 2), u usporedbi s drugim osnosimetričnim iglama (AX2–3), ali nisu primijećene značajne razlike kada je igla stavljena u vodu. Osemetrični skok od 4 mm (AX1), koji ima najveću duljinu kosca, statistički značajno najveće odstupanje zraka u zraku (\(p <0,017\), tablica 2) u usporedbi s drugim osesimetričnim iglama (AX2–3). Osnosimetrična kosina od 4 mm (AX1), koja ima najveću duljinu kosine, postigla je statistički značajno veće odstupanje u zraku (\(p < 0,017\), tablica 2) u usporedbi s drugim osnosimetričnim iglama (AX2–3).ali značajne razlike nisu uočene prilikom stavljanja igle u vodu.与其他轴对称针(AX2-3) 相比，具有最长斜角长度的轴对称4 mm 斜角(AX1) 在空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。 U usporedbi s drugim aksijalno simetričnim iglama (AX2-3), ima najduži kosi kut od 4 mm aksijalno simetrično (AX1) u zraku, te je ostvario statistički značajan maksimalni otklon (\(p < 0,017\), Tablica 2) , ali kada je igla stavljena u vodu, nije primijećena značajna razlika. Osemetrični kos 4 mm (AX1) s najdužom kosom pruža statistički značajno maksimalno odstupanje u zraku u usporedbi s ostalim osemetričnim iglama (AX2-3) (\(p < 0,017\), tablica 2), ali bitne razlike nije bilo. Osnosimetrični nagib s najvećom duljinom nagiba od 4 mm (AX1) dao je statistički značajno maksimalno odstupanje u zraku u usporedbi s ostalim osnosimetričnim nagibima (AX2-3) (\(p < 0,017\), tablica 2), ali nije bilo značajna razlika.opaža se kada se igla stavi u vodu.Prema tome, veća duljina skošenja nema očitih prednosti u smislu vršnog otklona vrha.Uzimajući to u obzir, ispada da geometrija kosine, koja se istražuje u ovoj studiji, ima veći utjecaj na otklon amplitude nego duljina kosine.To se može povezati s krutošću na savijanje, na primjer, ovisno o materijalu koji se savija i ukupnoj debljini konstrukcijske igle.
U eksperimentalnim studijama, na veličinu reflektiranog savojnog vala utječu granični uvjeti vrha.Kada je vrh igle umetnut u vodu i želatinu, \(\text {PTE}_{2}\) u prosjeku je \(\približno\) 95%, a \(\text {PTE}_{2}\) u prosjeku vrijednosti su 73% odnosno 77% (\text {PTE}_{1}\) odnosno \(\text {PTE}_{3}\) (Sl. 11).To znači da se maksimalni prijenos akustične energije na medij za lijevanje (na primjer, vodu ili želatinu) događa na \(f_2\).Slično ponašanje primijećeno je u prethodnoj studiji korištenjem jednostavnijih struktura uređaja na frekvencijama od 41-43 kHz, gdje su autori pokazali koeficijent refleksije napona povezan s mehaničkim modulom interkaliranog medija.Dubina prodiranja32 i mehanička svojstva tkiva osiguravaju mehaničko opterećenje igle i stoga se očekuje da utječu na rezonantno ponašanje UZeFNAB-a.Stoga se algoritmi za praćenje rezonancije kao što su 17, 18, 33 mogu koristiti za optimiziranje snage zvuka koji se isporučuje kroz olovku.
Modeliranje valne duljine savijanja (slika 7) pokazuje da osnosimetrični ima veću strukturnu krutost (tj. veću krutost na savijanje) na vrhu od lancetastog i asimetričnog kosog oblika.Izvedeno iz (1) i korištenjem poznatog odnosa brzine i frekvencije, procjenjujemo krutost na savijanje lancetastih, asimetričnih i osnosimetričnih vrhova kao nagibe \(\približno) 200, 20 odnosno 1500 MPa.To odgovara (\lambda _y\) 5,3, 1,7 odnosno 14,2 mm na 29,75 kHz (Sl. 7a–c).Uzimajući u obzir kliničku sigurnost postupka USeFNAB, potrebno je procijeniti utjecaj geometrije na krutost dizajna kosine34.
Proučavanje parametara kosine i duljine cijevi (slika 9) pokazalo je da je optimalni raspon TL za asimetričnu (1,8 mm) veći nego za osnosimetričnu kosinu (1,3 mm).Osim toga, plato pokretljivosti kreće se od 4 do 4,5 mm, odnosno od 6 do 7 mm za asimetrični i osnosimetrični nagib (sl. 9a, b).Praktična važnost ovog nalaza izražena je u proizvodnim tolerancijama, na primjer, niži raspon optimalnog TL-a može značiti potrebu za većom preciznošću duljine.U isto vrijeme, platforma prinosa pruža veću toleranciju za izbor duljine nagiba pri danoj frekvenciji bez značajnog utjecaja na prinos.
Studija uključuje sljedeća ograničenja.Izravno mjerenje otklona igle pomoću detekcije rubova i snimanja velikom brzinom (Slika 12) znači da smo ograničeni na optički prozirne medije kao što su zrak i voda.Također želimo istaknuti da nismo koristili eksperimente za testiranje simulirane pokretljivosti prijenosa i obrnuto, već smo koristili FEM studije za određivanje optimalne duljine proizvedene igle.Sa stajališta praktičnih ograničenja, duljina lancete od vrha do rukavca je 0,4 cm duža od ostalih igala (AX1-3), vidi sl.3b.To je moglo utjecati na modalni odgovor igličaste strukture.Osim toga, oblik i volumen valovodnog olovnog lema (vidi sliku 3) mogu utjecati na mehaničku impedanciju dizajna igle, što rezultira pogreškama u mehaničkoj impedanciji i ponašanju pri savijanju.
Konačno, eksperimentalno smo pokazali da geometrija kosine utječe na količinu otklona u USeFNAB-u.U situacijama kada veća amplituda otklona može imati pozitivan učinak na učinak igle na tkivo, na primjer, učinkovitost rezanja nakon uboda, može se preporučiti konvencionalna lanceta za USeFNAB, budući da pruža najveću amplitudu otklona uz održavanje dovoljne krutosti na vrhu dizajna.Osim toga, nedavna studija pokazala je da veći otklon vrha može pojačati biološke učinke kao što je kavitacija, što može pomoći u razvoju aplikacija za minimalno invazivne kirurške intervencije.S obzirom na to da se pokazalo da povećanje ukupne akustične snage povećava učinak biopsije od USeFNAB13, potrebne su daljnje kvantitativne studije prinosa i kvalitete uzorka kako bi se procijenila detaljna klinička korist proučavane geometrije igle.
Frable, WJ Biopsija aspiracije tankom iglom: pregled.Humph.bolestan.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Vrijeme objave: 13. listopada 2022