Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Addig is a folyamatos támogatás érdekében a webhelyet stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg.
A közelmúltban bebizonyosodott, hogy az ultrahang használata növeli a szövetek hozamát az ultrahanggal segített finomtű-szívásban (USeFNAB) a hagyományos finomtű-szíváshoz (FNAB) képest.A ferde geometria és a hegy mozgása közötti összefüggést a mai napig nem vizsgálták alaposan.Ebben a tanulmányban a tűrezonancia és az elhajlási amplitúdó tulajdonságait vizsgáltuk különböző ferdeszög-geometriákhoz, különböző ferde hosszokkal.Hagyományos 3,9 mm-es ferde lándzsát használva a csúcskitérítési teljesítménytényező (DPR) levegőben és vízben 220, illetve 105 µm/W volt.Ez magasabb, mint a tengelyszimmetrikus, 4 mm-es ferde csúcs, amely 180 és 80 µm/W DPR-t biztosít levegőben és vízben.Ez a tanulmány rávilágít a ferde ferde geometria hajlítási merevsége közötti kapcsolat fontosságára a különböző beillesztési módok összefüggésében, és ezért betekintést nyújthat a szúrás utáni vágási műveletek szabályozásának módszereibe a tű ferde geometriájának megváltoztatásával, ami fontos.egy USeFNAB alkalmazás esetében kritikus.
A finomtűs aspirációs biopszia (FNA) egy olyan módszer, amellyel szövetmintákat vesznek a feltételezett patológia1,2,3 esetén tű segítségével.A Franseen hegyről kimutatták, hogy nagyobb diagnosztikai teljesítményt nyújt, mint a hagyományos Lancet4 és Menghini5 csúcsok.A tengelyszimmetrikus (azaz kerületi) lejtők szintén a hisztopatológiailag megfelelő minták valószínűségét növelik.
A biopszia során egy tűt átvezetnek a bőr és a szövet rétegein, hogy hozzáférjenek a gyanús elváltozásokhoz.A legújabb tanulmányok kimutatták, hogy az ultrahang csökkentheti a lágyszövetekhez való hozzáféréshez szükséges behatolási erőt7,8,9,10.Kimutatták, hogy a tű ferde geometriája befolyásolja a tű kölcsönhatási erőit, például kimutatták, hogy a hosszabb ferde szögeknél kisebb a szövetbehatolási erő11.Miután a tű áthatolt a szövet felületén, azaz a szúrás után a tű vágóereje a tű és a szövet kölcsönhatási erejének 75%-a lehet12.Kimutatták, hogy a szúrás utáni szakaszban az ultrahang (ultrahang) növeli a diagnosztikus lágyrész-biopszia hatékonyságát.Más ultrahangos csontbiopsziás technikákat fejlesztettek ki keményszöveti minták vételére, de nem számoltak be olyan eredményről, amely javítaná a biopszia hozamát.Számos tanulmány azt is megerősítette, hogy a mechanikai elmozdulás nő, ha ultrahangos igénybevételnek van kitéve16,17,18.Míg számos tanulmány létezik a tű-szövet kölcsönhatásokban fellépő axiális (hosszirányú) statikus erőkről19, 20, a tű ferdeség időbeli dinamikájáról és geometriájáról korlátozott számú tanulmány létezik ultrahangos FNAB (USeFNAB) alatt.
A tanulmány célja az volt, hogy megvizsgálja a különböző ferde geometriák hatását a tű hegyének mozgására ultrahangos hajlítással hajtott tűben.Különösen azt vizsgáltuk, hogy az injekciós közeg milyen hatást gyakorol a tűhegy szúrás utáni elhajlására a hagyományos tűferdések esetében (azaz USeFNAB tűk különféle célokra, mint például szelektív aspiráció vagy lágyszövetek felvétele).
Különféle ferde geometriák szerepeltek ebben a tanulmányban.(a) A Lancet-specifikáció megfelel az ISO 7864:201636 szabványnak, ahol \(\alpha\) az elsődleges ferde, \(\theta\) a másodlagos kúp elfordulási szöge, és \(\phi\) a másodlagos ferdeszög szög., forgatáskor, fokban (\(^\circ\)).(b) Lineáris aszimmetrikus egylépcsős letörések (a DIN 13097:201937 szabványban „szabványnak” nevezik) és (c) Lineáris tengelyszimmetrikus (kerületi) egylépcsős letörések.
Megközelítésünk azzal kezdődik, hogy modellezzük a hajlítási hullámhossz változását a ferde mentén hagyományos lándzsás, tengelyszimmetrikus és aszimmetrikus egyfokozatú kúp-geometriák esetén.Ezután egy parametrikus vizsgálatot számoltunk ki, hogy megvizsgáljuk a cső lejtésének és hosszának az átvezetés mechanikai folyékonyságára gyakorolt hatását.Ez szükséges a prototípus tű készítésének optimális hosszának meghatározásához.A szimuláció alapján tűprototípusokat készítettek, amelyek rezonancia viselkedését kísérletileg jellemezték a feszültségreflexiós együtthatók mérésével, valamint az erőátviteli hatásfok kiszámításával levegőben, vízben és 10% (w/v) ballisztikus zselatinban, amelyből meghatározták a működési frekvenciát. .Végül nagy sebességű képalkotást használnak a tű hegyén lévő hajlítóhullám eltérülésének közvetlen mérésére levegőben és vízben, valamint megbecsülik az egyes ferde szögeknél leadott elektromos teljesítményt és az eltérítési teljesítményarány geometriáját ( DPR) az injektált közeghez..
A 2a. ábrán látható módon használjon 21-es méretű csövet (0,80 mm külső átmérő, 0,49 mm belső átmérő, cső falvastagsága 0,155 mm, szabványos fal) a tűcső meghatározásához csőhosszal (TL) és ferde szöggel (BL) az ISO szabványnak megfelelően. 9626:201621) 316 rozsdamentes acélból (Young modulusa 205 \(\text {GN/m}^{2}\), sűrűsége 8070 kg/m\(^{3}\) és Poisson-mutatója 0,275).
A hajlítási hullámhossz meghatározása és a végeselemes modell (FEM) hangolása tű- és peremfeltételekre.a) A ferde hossz (BL) és a csőhossz (TL) meghatározása.(b) Háromdimenziós (3D) végeselemes modell (FEM), amely egy harmonikus ponterőt \(\tilde{F}_y\vec {j}\) használ a tű proximális meghajtására, a pont eltérítésére és a sebesség mérésére a tipp (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) a mechanikai folyékonyság átvitelének kiszámításához.\(\lambda _y\) a \(\tilde{F}_y\vec {j}\) függőleges erőhöz viszonyított hajlítási hullámhossz.(c) A súlypont, az A keresztmetszeti terület, valamint az x és y tengely körüli \(I_{xx}\) és \(I_{yy}\) tehetetlenségi nyomatékok meghatározásai.
ábrán látható módon.A 2b,c, A keresztmetszeti területű végtelen (végtelen) nyaláb esetében a sugár keresztmetszeti méreténél nagyobb hullámhossznál a hajlított (vagy hajlított) fázissebességet \( c_{EI }\) 22 határozza meg. :
ahol E Young modulusa (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) a gerjesztési szögfrekvencia (rad/s), ahol \( f_0 \ ) a lineáris frekvencia (1/s vagy Hz), I a vizsgált tengely körüli terület tehetetlenségi nyomatéka\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) a tömeg egységnyi hosszon (kg/m), ahol \(\rho _0\) a sűrűség\((\text {kg/m}^{3})\) és A a kereszt a sugárterület szakasza (xy sík) (\(\ text {m}^{2}\)).Mivel a példánkban alkalmazott erő párhuzamos a függőleges y tengellyel, azaz \(\tilde{F}_y\vec {j}\), ezért csak a vízszintes x tengely körüli regionális tehetetlenségi nyomatékra vagyunk kíváncsiak, azaz \(I_{xx}\), tehát:
A végeselemes modell (FEM) esetében tiszta harmonikus elmozdulást (m) feltételezünk, így a gyorsulást (\(\text {m/s}^{2}\)) a következővel fejezzük ki: \(\partial ^2 \vec { u}/ \ részleges t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) mint \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) egy térbeli koordinátákkal megadott háromdimenziós eltolási vektor.Utóbbi helyett a COMSOL Multiphysics szoftvercsomagban (5.4-5.5 verzió, COMSOL Inc., Massachusetts, USA) való megvalósításának megfelelően az impulzusegyensúly törvény véges alakváltozási Lagrange-formája a következő:
ahol \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) a tenzordivergencia operátor, \({\aláhúzás{\sigma}}\) a második Piola-Kirchhoff feszültségtenzor (másodrendű, \(\ text { N/ m}^{2}\)) és \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) a testerővektor (\(\text {N/m}^{3}\)) minden deformált térfogatra, és \(e^{j\phi }\) a fázisszögvektor\(\ phi \ ) (örülök).Esetünkben a test térfogatereje nulla, modellünk geometriai linearitást és kis tisztán rugalmas alakváltozást feltételez, azaz ahol \({\underline{\varepszilon}}^{el}\) és \({\aláhúzás A {\varepszilon}}\) rugalmas alakváltozás, illetve teljes alakváltozás (másodrendű, dimenzió nélküli).A Hooke-féle konstitutív izotróp rugalmassági tenzort \(\underline{\underline{C}}\) a Young-modulus E (\(\text {N/m}^{2}\)) segítségével számítjuk ki, és meghatározzuk a v Poisson-arányt, tehát pl. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (negyedik sorrend).Így a feszültségszámítás a következő lesz: \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
A számítás egy 10 csomópontos tetraéder elemet használ, amelynek elemmérete \(\le\) 8 µm.A tűt vákuumban modellezik, és az átvitt mechanikai mobilitás értékét (ms-1 N-1) a következőképpen definiáljuk: \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, ahol \(\tilde{v}_y\vec {j}\) a kézidarab kimeneti komplex sebessége és \( \ tilde Az {F}_y\ vec {j }\) egy összetett hajtóerő, amely a cső proximális végén található, amint az a 2b. ábrán látható.Fordítsa le a mechanikai folyékonyságot decibelben (dB) a maximális érték referenciaként, azaz \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Minden FEM-vizsgálatot 29,75 kHz-es frekvencián végeztek.
A tű kialakítása (3. ábra) hagyományos 21-es injekciós tűből áll (kat. sz. 4665643, Sterican\(^\circledR\), külső átmérője 0,8 mm, hossza 120 mm, AISI 304 rozsdamentes króm-nikkel acél , B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Németország) a proximális végén polipropilénből készült műanyag Luer Lock hüvelyrel van felszerelve, és a végén megfelelően módosított.A tűcsövet a 3b. ábrán látható módon a hullámvezetőhöz forrasztjuk.A hullámvezetőket rozsdamentes acél 3D nyomtatón (EOS 316L rozsdamentes acél EOS M 290 3D nyomtatón, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finnország) nyomtatták, majd M4 csavarokkal rögzítették a Langevin érzékelőhöz.A Langevin érzékelő 8 piezoelektromos gyűrűelemből áll, amelyek mindkét végén két tömeggel vannak terhelve.
A négy típusú hegyet (fotó), egy kereskedelmi forgalomban kapható lándzsát (L) és három gyártott tengelyszimmetrikus egyfokozatú ferde élt (AX1-3) 4, 1,2 és 0,5 mm-es ferdehosszúsággal (BL) jellemeztek.a) Közeli kép a kész tűhegyről.(b) Négy tüske felülnézete a 3D nyomtatott hullámvezetőhöz forrasztva, majd M4 csavarokkal csatlakoztatva a Langevin érzékelőhöz.
Három tengelyszimmetrikus ferdecsúcsot (3. ábra) gyártottak (TAs Machine Tools Oy) 4,0, 1,2 és 0,5 mm-es ferdehosszúsággal (BL, a 2a. ábrán meghatározottak szerint), ami megfelel \(\kb.) 2 \(^ \) circ\), 7\(^\circ\) és 18\(^\circ\).A hullámvezető és a tű tömege 3,4 ± 0,017 g (átlag ± sd, n = 4) az L és AX1-3 ferdeszögeknél (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Németország) .A 3b. ábrán látható L és AX1-3 ferde szögek esetében a teljes hossz a tű hegyétől a műanyag hüvely végéig 13,7, 13,3, 13,3 és 13,3 cm volt.
Minden tűkonfiguráció esetén a tű hegyétől a hullámvezető hegyéig (vagyis a hegesztési területig) tartó hossz 4,3 cm volt, és a tűcsövet a vágással felfelé irányították (azaz párhuzamosan az Y tengellyel). , az ábrán látható módon.c (2. ábra).
A MATLAB-ban (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) egy számítógépen (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) futó egyéni szkriptet használtak 25 kHz-ről 35 kHz-re 7 másodpercig tartó lineáris szinuszos sweep létrehozására. átadás Egy digitális-analóg (DA) átalakító (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA) analóg jellé alakítja át.Az analóg jelet \(V_0\) (0,5 Vp-p) ezt követően egy dedikált rádiófrekvenciás (RF) erősítővel (Mariachi Oy, Turku, Finnország) erősítették.Az 50 ohmos kimeneti impedanciájú RF erősítőből leeső erősített feszültség \({V_I}\) a tűszerkezetbe épített, 50 ohmos bemeneti impedanciájú transzformátorra kerül.A Langevin jelátalakítókat (elülső és hátsó nagy teherbírású, többrétegű piezoelektromos átalakítók) mechanikai hullámok generálására használják.Az egyedi RF erősítő egy kétcsatornás állóhullám-teljesítménytényező (SWR) mérővel van felszerelve, amely rögzíti a beeső \({V_I}\) és a visszavert erősített feszültséget\(V_R\) analóg-digitális (AD) módban.300 kHz-es mintavételezési frekvenciával konverter (analóg Discovery 2).A gerjesztő jel amplitúdómodulált az elején és a végén, hogy elkerüljük az erősítő bemenetének tranziensekkel való túlterhelését.
Egy MATLAB-ban implementált egyéni szkript segítségével a frekvenciaválasz függvényt (FRF), azaz a \(\tilde{H}(f)\) offline módban becsültük meg egy kétcsatornás szinuszos sweep mérési módszerrel (4. ábra), amely feltételezi, hogy linearitás az időben.invariáns rendszer.Ezenkívül egy 20-40 kHz-es sávszűrőt alkalmaznak a nem kívánt frekvenciák eltávolítására a jelből.Az átviteli vonalak elméletére hivatkozva ebben az esetben \(\tilde{H}(f)\) ekvivalens a feszültségvisszaverési együtthatóval, azaz \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) a következőre csökken: \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) egyenlő \(|\rho _{V}|^2\).Abban az esetben, ha abszolút elektromos teljesítmény értékekre van szükség, a beeső teljesítmény \(P_I\) és a visszavert teljesítmény \(P_R\) teljesítmény (W) kiszámítása például a megfelelő feszültség effektív értékének (rms) alapján történik.szinuszos gerjesztésű átviteli vonalra \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, ahol \(Z_0\) egyenlő 50 \(\Omega\).A terhelés \(P_T\) (azaz a behelyezett közeg) által szolgáltatott elektromos teljesítmény \(|P_I – P_R |\) (W RMS), valamint a teljesítményátviteli hatásfok (PTE) és százalékos ( %) meghatározható az alakzat megadása, így 27:
Ezután az FRF segítségével becsüljük meg a szöges modális frekvenciákat \(f_{1-3}\) (kHz) és a hozzájuk tartozó teljesítményátviteli tényezőket \(\text {PTE}_{1{-}3} \).FWHM (\(\szöveg {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) közvetlenül a \(\text {PTE}_{1{-}3}\) alapján becsülve, az 1. A táblázatból egyoldalú lineáris spektrumot kapunk a leírt modális frekvencián \(f_{1-3}\).
Tűszerkezetek frekvenciaválaszának (AFC) mérése.Egy szinuszos kétcsatornás sweep mérést25,38 használunk a \(\tilde{H}(f)\) frekvenciaválasz függvény és a H(t) impulzusválasz meghatározására.\({\mathcal {F}}\) és \({\mathcal {F}}^{-1}\) a digitális csonkítás Fourier-transzformációját, illetve annak inverzét jelentik.\(\tilde{G}(f)\) két jel szorzata a frekvenciatartományban, pl. \(\tilde{G}_{XrX}\) az inverz pásztázási szorzat\(\tilde{ X} r (f)\ ) és feszültségesés \(\tilde{X}(f)\) rendre.
Amint az 5. ábrán látható, a nagy sebességű kamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) makró lencsével van felszerelve (MP-E 65mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokió, Japán), hogy rögzítse a csúcsok elhajlását a hajlítási gerjesztés során (egyfrekvenciás, folytonos szinuszos) 27,5-30 kHz-es frekvencián.Az árnyéktérkép elkészítéséhez egy nagy intenzitású fehér LED-et (cikkszám: 4052899910881, fehér LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Németország) helyeztek a tű hegye mögé.
A kísérleti elrendezés elölnézete.A mélységet a közeg felületétől mérjük.A tűszerkezet rögzítve van, és egy motoros transzfer asztalra van felszerelve.Használjon nagy sebességű kamerát nagy nagyítású objektívvel (5\(\x\)) a ferde szögeltérés mérésére.Minden méret milliméterben értendő.
Minden típusú tűferdeséghez 300 képkockát rögzítettünk egy 128 \(\x\) 128 pixeles nagysebességű kameráról, mindegyik 1/180 mm (\(\kb) 5 µm térbeli felbontással. 310 000 képkocka/másodperc időbeli felbontás.A 6. ábrán látható módon minden egyes keret (1) le van vágva (2) úgy, hogy a tű hegye a keret utolsó sorában (alul) legyen, és a kép (3) hisztogramja kiszámításra kerül, így a Canny 1-es és 2-es küszöbértékek határozhatók meg.Ezután alkalmazza a Canny élérzékelést 28(4) a 3 \(\times\) 3 Sobel-operátorral, és számítsa ki a nem hipotenúza pixelek pozícióit (\(\mathbf {\times }\)) kavitáció nélkül 300 időlépésben.A csúcselhajlás tartományának meghatározásához számítsa ki a deriváltot (a központi különbség algoritmusával) (6), és határozza meg azt a keretet (7), amely az elhajlás lokális szélsőértékeit (azaz csúcsát) tartalmazza.A kavitációmentes él szemrevételezése után kiválasztottunk egy pár keretet (vagy két keretet félidővel) (7), és megmértük a csúcs elhajlását (jelölése \(\mathbf {\times }) \) ).A fentiek Pythonban (v3.8, Python Software Foundation, python.org) az OpenCV Canny élfelismerő algoritmussal (v4.5.1, nyílt forráskódú számítógépes látáskönyvtár, opencv.org) valósulnak meg.Végül az eltérítési teljesítménytényezőt (DPR, µm/W) a csúcstól a csúcsig terjedő eltérés és az átvitt elektromos teljesítmény \(P_T\) (Wrms) arányaként számítjuk ki.
Egy 7 lépésből álló algoritmus (1-7) használatával, beleértve a kivágást (1-2), a Canny élérzékelést (3-4), a számítást, mérje meg a csúcs elhajlási élének pixelpozícióját egy nagy képkockából vett képsorozat segítségével. sebességmérő kamera 310 kHz-en (5) és időderiváltja (6), és végül a csúcs elhajlási tartományát szemrevételezéssel ellenőrzött képpárokon (7) mérik.
Levegőben (22,4-22,9°C), ionmentesített vízben (20,8-21,5°C) és 10%-os (w/v) vizes ballisztikus zselatinban (19,7-23,0°C) mérve, \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Szarvasmarha- és sertéscsontzselatin I. típusú ballisztikus elemzéshez, Honeywell International, Észak-Karolina, USA).A hőmérsékletet K-típusú hőelemes erősítővel (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) és K-típusú hőelemmel (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 Type-K, Fluke Corporation, Washington, USA) mértük.Használjon függőleges motoros Z-tengelyű tárgyasztalt (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litvánia) a mélység mérésére a média felületétől (a Z-tengely kezdőpontjaként van beállítva) lépésenként 5 µm felbontással.
Mivel a minta mérete kicsi volt (n = 5), és normalitást nem lehetett feltételezni, a kétmintás kétvégű Wilcoxon rangösszeg tesztet (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) alkalmaztuk. hogy összehasonlítsa a tűhegy eltérésének mértékét a különböző ferdékeknél.Minden lejtőre három összehasonlítást végeztünk, így Bonferroni-korrekciót alkalmaztunk 0,017-es korrigált szignifikanciaszinttel és 5%-os hibaaránnyal.
Az alábbi 7. ábrára hivatkozunk.29,75 kHz-en egy 21-es tű ívelt félhullámhossza (\(\lambda _y/2\)) \(\körülbelül) 8 mm.A hajlítási hullámhossz a lejtő mentén csökken, ahogy közeledik a csúcshoz.A csúcson \(\lambda _y/2\) 3, 1 és 7 mm-es lépcsőzetes ferdeszögek találhatók a közönséges lándzsákhoz (a), aszimmetrikus (b) és tengelyszimmetrikus (c).Ez tehát azt jelenti, hogy a lándzsa \(\kb.\) 5 mm-rel fog eltérni (annak köszönhetően, hogy a lándzsa két síkja 29,30-as pontot alkot), az aszimmetrikus dőlésszög 7 mm-rel, a szimmetrikus lejtés pedig 7 mm-rel fog változni. 1 mm-rel.Tengelyszimmetrikus lejtők (a súlypont változatlan marad, tehát csak a falvastagság változik ténylegesen a lejtő mentén).
A FEM vizsgálat alkalmazása 29,75 kHz-en és az egyenlet.(1) Számítsa ki a hajlítási félhullám változását (\(\lambda _y/2\)) lándzsa (a), aszimmetrikus (b) és tengelyszimmetrikus (c) ferde geometria esetén (mint az 1a, b, c ábrán).).Az átlagos \(\lambda_y/2\) a lándzsa, az aszimmetrikus és a tengelyszimmetrikus lejtőkre 5,65, 5,17 és 7,52 mm.Vegye figyelembe, hogy az aszimmetrikus és tengelyszimmetrikus ferde hegyek vastagsága \(\kb.) 50 µm-re korlátozódik.
A csúcsmobilitás \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) az optimális csőhossz (TL) és a dőlésszög (BL) kombinációja (8., 9. ábra).Hagyományos lándzsa esetén, mivel a mérete fix, az optimális TL \(\kb.\) 29,1 mm (8. ábra).Aszimmetrikus és tengelyszimmetrikus lejtőkre (9a., b. ábra) a FEM vizsgálat 1-7 mm-es BL-t tartalmazott, így az optimális TL-tartományok 26,9-28,7 mm (tartomány 1,8 mm) és 27,9-29,2 mm (tartomány) 1,3 mm).) ), ill.Aszimmetrikus lejtők esetén (9a. ábra) az optimális TL lineárisan nőtt, elérve a BL 4 mm-es platót, majd meredeken csökkent BL 5-ről 7 mm-re.Tengelyszimmetrikus lejtők esetén (9b. ábra) az optimális TL lineárisan növekszik a BL megnyúlásával, és végül a BL-nél stabilizálódik 6-7 mm között.A tengelyszimmetrikus lejtők kiterjesztett vizsgálata (9c. ábra) az optimális TL-ek eltérő halmazát mutatta ki \(\körülbelül) 35,1–37,1 mm között.Minden BL esetében az optimális TL-ek két halmaza közötti távolság \(\kb.\) 8 mm (egyenértékű: \(\lambda _y/2\)).
Lancet átviteli mobilitás 29,75 kHz-en.A tűcsövet 29,75 kHz-es frekvencián hajlították meg, a végén mértük a rezgést, és az átvitt mechanikai mobilitás mértékében (dB a maximális értékhez viszonyítva) fejeztük ki TL 26,5-29,5 mm-re (0,1 mm-es lépés).
A FEM 29,75 kHz-es frekvenciájú paraméteres vizsgálatai azt mutatják, hogy a tengelyszimmetrikus csúcs átviteli mobilitását kevésbé befolyásolják a cső hosszának változásai, mint aszimmetrikus megfelelőjének.Kúphossz- (BL) és csőhossz- (TL) vizsgálatok aszimmetrikus (a) és tengelyszimmetrikus (b, c) ferdeszög-geometriákhoz a FEM alkalmazásával végzett frekvenciatartomány-vizsgálatokban (a peremfeltételek a 2. ábrán láthatók).(a, b) A TL 26,5-29,5 mm (0,1 mm-es lépés), a BL 1-7 mm (0,5 mm-es lépés) között volt.(c) Kiterjesztett tengelyszimmetrikus ferde szög vizsgálat, beleértve a TL 25-40 mm-t (0,05 mm-es lépés) és 0,1-7 mm-t (0,1 mm-es lépés), amely megmutatja a kívánt arányt \(\lambda_y/2\) A hegy laza mozgási határfeltételei teljesülnek.
A tűszerkezetnek három természetes frekvenciája \(f_{1-3}\) van felosztva alacsony, közepes és magas modális régiókra, az 1. táblázat szerint. A PTE mérete a 10. ábrán látható, majd a 11. ábrán elemezzük. eredmények az egyes modális területekre:
Tipikus rögzített pillanatnyi teljesítményátviteli hatásfok (PTE) amplitúdók, amelyeket szinuszos gerjesztéssel kaptunk 20 mm-es swepfrekvenciájú lándzsa (L) és AX1-3 tengelyszimmetrikus lejtőin levegőben, vízben és zselatinban.Egy egyoldalú spektrum látható.A mért frekvenciaválaszt (300 kHz-es mintavételezési frekvencia) aluláteresztő szűréssel végeztük, majd 200-as faktorral leszállítottuk a modális elemzéshez.A jel-zaj arány \(\le\) 45 dB.A PTE fázis (lila szaggatott vonal) fokban jelenik meg (\(^{\circ}\)).
A modális válaszelemzés a 10. ábrán látható (átlag ± szórás, n = 5) az L és AX1-3 lejtőkre levegőben, vízben és 10%-os zselatinban (20 mm mélységben), (felső) három modális régióval (alacsony). , közepesen magas).), és a hozzájuk tartozó modális frekvenciák\(f_{1-3}\) (kHz), (átlagos) energiahatékonyság\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) tervezési egyenleteket használ.(4) és (alul) a teljes szélesség a maximális mért érték felénél \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), rendre.Vegye figyelembe, hogy alacsony PTE rögzítésekor, azaz AX2 meredekség esetén a sávszélesség mérése kimarad, \(\text {FWHM}_{1}\).A \(f_2\) módot tartják a legalkalmasabbnak a ferde síkok elhajlásának összehasonlítására, mivel ez mutatja a legmagasabb szintű erőátviteli hatékonyságot (\(\text {PTE}_{2}\)), akár 99% .
Első modális régió: \(f_1\) nem nagyon függ a behelyezett adathordozó típusától, de függ a ferde geometriától.\(f_1\) csökken a kúphossz csökkenésével (27,1, 26,2 és 25,9 kHz az AX1-3 esetében levegőben).A \(\text {PTE}_{1}\) és \(\text {FWHM}_{1}\) regionális átlagok \(\kb.\) 81%, illetve 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) volt a legmagasabb a Lancet zselatinjában (L, 473 Hz).Vegye figyelembe, hogy a zselatinban lévő AX2 \(\text {FWHM}_{1}\) értéke nem becsülhető meg a jelentett frekvenciaválaszok alacsony nagysága miatt.
A második modális régió: \(f_2\) a paszta és a ferde adathordozó típusától függ.Levegőben, vízben és zselatinban az átlagos \(f_2\) értékek 29,1, 27,9 és 28,5 kHz.Ennek a modális régiónak a PTE-je is elérte a 99%-ot, a legmagasabb az összes mérési csoport közül, 84%-os regionális átlaggal.A területi átlag \(\text {FWHM}_{2}\) \(\kb.\) 910 Hz.
Harmadik modális régió: \(f_3\) A gyakoriság a beillesztési közeg típusától és a ferdeségtől függ.Az átlagos \(f_3\) értékek 32,0, 31,0 és 31,3 kHz levegőben, vízben és zselatinban.\(\text {PTE}_{3}\) regionális átlaga \(\körülbelül\) 74%, a legalacsonyabb a régiók közül.A régiós átlag \(\text {FWHM}_{3}\) \(\körülbelül\) 1085 Hz, ami magasabb, mint az első és a második régióé.
A következők az 1. ábrára vonatkoznak.12. ábra és 2. táblázat. A lándzsa (L) a legnagyobb jelentőséggel tért ki (nagy szignifikánsan minden hegyre, \(p<\) 0,017) levegőben és vízben egyaránt (12a. ábra), elérve a legmagasabb DPR-t (220 µm/-ig). W levegőben). 12. ábra és 2. táblázat. A lándzsa (L) a legnagyobb jelentőséggel tért ki (nagy szignifikánsan minden hegyre, \(p<\) 0,017) levegőben és vízben egyaránt (12a. ábra), elérve a legmagasabb DPR-t (220 µm/-ig). W levegőben). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше вселххчимонкой в, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Az alábbiak a 12. ábrára és a 2. táblázatra vonatkoznak. A lándzsa (L) a legnagyobb mértékben elhajlott (nagy szignifikancia minden hegy esetében, \(p<\) 0,017) levegőben és vízben egyaránt (12a. ábra), elérve a legmagasabb DPR-t.(levegőben 220 μm/W-ig).Hivatkozás az alábbi 12. ábrára és 2. táblázatra.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 猼 07 \ 实 0)最高DPR （空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) rendelkezik a legnagyobb elhajlással levegőben és vízben (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), és érte el a legmagasabb DPR-t (2 m/20-ig). W levegőben). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в вохида я самого высокого DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). A lándzsa (L) rendelkezik a legnagyobb eltéréssel (nagyon szignifikáns az összes csúcsra, \(p<\) 0,017) levegőben és vízben (12a. ábra), elérve a legmagasabb DPR-t (levegőben 220 µm/W-ig). Levegőben az AX1, amelynek magasabb volt a BL-je, nagyobb mértékben tért ki, mint az AX2-3 (szignifikancia: \(p<\) 0,017), míg az AX3 (amelynek a BL-je a legalacsonyabb) 190 µm/W DPR-vel nagyobb mértékben tért el, mint az AX2. Levegőben az AX1, amelynek magasabb volt a BL-je, nagyobb mértékben tért ki, mint az AX2-3 (szignifikancia: \(p<\) 0,017), míg az AX3 (amelynek a BL-je a legalacsonyabb) 190 µm/W DPR-vel nagyobb mértékben tért el, mint az AX2. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), BLксаким онялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Levegőben a magasabb BL-vel rendelkező AX1 nagyobb, mint AX2–3 (szignifikancia \(p<\) 0,017), míg az AX3 (a legalacsonyabb BL-vel) nagyobb mértékben tért el, mint az AX2 DPR 190 µm/W mellett.在空气中，具有较高BL 的AX1 偏转高于AX2-3（具有显着性，\(p<\)着性，\(p<\)缉有彁恷恷恷恷恷怏AX3转大于AX2, DPR 为 190 µm/W. Levegőben az AX1 kitérése nagyobb BL-vel nagyobb, mint az AX2-3-é (szignifikánsan, \(p<\) 0,017), és az AX3 (a legalacsonyabb BL-vel) nagyobb, mint az AX2-é, a DPR 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), токсимаким (BL) ет большее отклонение, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Levegőben a magasabb BL-vel rendelkező AX1 nagyobb eltérést mutat, mint az AX2-3 (szignifikáns, \(p<\) 0,017), míg az AX3 (a legalacsonyabb BL-vel) nagyobb eltérést mutat, mint az AX2, ahol a DPR 190 μm/W. 20 mm-es vízben nem találtunk szignifikáns különbséget (\(p>\) 0,017) az elhajlásban és a PTE-ben az AX1-3 esetében. 20 mm-es vízben nem találtunk szignifikáns különbséget (\(p>\) 0,017) az elhajlásban és a PTE-ben az AX1-3 esetében. В воде на глубине 20 мм достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ФТР для AX1–3 не обнаруже 20 mm mélységű vízben szignifikáns (\(p>\) 0,017) eltérést észleltünk az elhajlásban és az FTR-ben az AX1-3 esetében.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017). 20 mm-es vízben nem volt szignifikáns különbség az AX1-3 és a PTE között (\(p>\) 0,017). На глубине 20 мм прогиб и PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). 20 mm mélységben az elhajlás és a PTE AX1-3 nem különbözött szignifikánsan (\(p>\) 0,017).A PTE szintje a vízben (90,2-98,4%) általában magasabb volt, mint a levegőben (56-77,5%) (12c. ábra), és a vízben végzett kísérlet során megfigyelték a kavitáció jelenségét (13. ábra, lásd még a továbbiakat). információ).
A hegyhajlítási amplitúdó mérések (átlag ± szórás, n = 5) L és AX1-3 letörésekre levegőben és vízben (mélység 20 mm) feltárták a változó letörési geometria hatását.A méréseket folyamatos egyfrekvenciás szinuszos gerjesztéssel végezzük.(a) Csúcseltérés (\(u_y\vec {j}\)) a csúcsban, a (b) megfelelő modális frekvenciákon \(f_2\) mérve.(c) Erőátviteli hatásfok (PTE, effektív, %), mint egyenlet.(4) és (d) Az eltérési teljesítménytényező (DPR, µm/W) a csúcs eltérésként és az adási teljesítményként \(P_T\) (Wrms) számítva.
Egy nagysebességű kamera tipikus árnyékdiagramja, amely a lándzsa csúcsának (zöld és piros szaggatott vonalak) és a tengelyszimmetrikus hegyének (AX1-3) teljes elhajlását mutatja vízben (mélység 20 mm), félciklus, hajtási frekvencia \(f_2\) (310 kHz-es frekvencia mintavételezés).A rögzített szürkeárnyalatos kép mérete 128×128 pixel, pixelmérete \(\körülbelül) 5 µm.A videó a további információk között található.
Így modelleztük a hajlítási hullámhossz változását (7. ábra), és kiszámítottuk az átvitelhez szükséges mechanikai mobilitást a hagyományos lándzsás, aszimmetrikus és axiális csőhossz és ferde kombinációk esetén (8., 9. ábra).Szimmetrikus ferde geometria.Ez utóbbi alapján az optimális csúcs-hegesztési távolságot 43 mm-re becsültük (vagy \(\approx\) 2,75\(\lambda_y\) 29,75 kHz-en), amint az 5. ábrán látható, és három tengelyszimmetrikus ferdeszöget készítettünk különböző ferde hosszúságú.Ezután jellemeztük frekvenciaválaszaikat a hagyományos lándzsákkal összehasonlítva levegőben, vízben és 10% (w/v) ballisztikus zselatinban (10., 11. ábra), és meghatároztuk a legjobb esetet a dőlés-eltérítési mód összehasonlításához.Végül 20 mm-es mélységben mértük a hegy elhajlását levegőben és vízben hajlító hullám segítségével, és számszerűsítettük a befecskendezett közeg teljesítményátviteli hatékonyságát (PTE, %) és eltérítési teljesítménytényezőjét (DPR, µm/W) minden egyes dőlésnél.típus (12. ábra).
Az eredmények azt mutatják, hogy a geometria dőléstengelye befolyásolja a csúcs tengelyének amplitúdó eltérését.A lancetának volt a legnagyobb görbülete és egyben a legnagyobb DPR-je is a tengelyszimmetrikus kúphoz képest, míg a tengelyszimmetrikus ferde kisebb átlagos eltéréssel (12. ábra). A leghosszabb kúphosszúságú tengelyszimmetrikus 4 mm-es kúp (AX1) statisztikailag szignifikánsan a legnagyobb elhajlást érte el levegőben (\(p < 0,017\), 2. táblázat), összehasonlítva más tengelyszimmetrikus tűkkel (AX2-3), de a tű vízbe helyezésekor nem volt szignifikáns különbség. A leghosszabb kúphosszúságú tengelyszimmetrikus 4 mm-es kúp (AX1) statisztikailag szignifikánsan a legnagyobb elhajlást érte el levegőben (\(p < 0,017\), 2. táblázat), összehasonlítva más tengelyszimmetrikus tűkkel (AX2-3), de a tű vízbe helyezésekor nem volt szignifikáns különbség. Осесимметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статистически значимоговлулунольшибоншого наибольшую длину скоса е (\(p <0,017\), таблица 2) по сравнению с другими осесимметричными иглами (AX2–3). A 4 mm-es tengelyszimmetrikus kúp (AX1), amely a legnagyobb ferdehosszú, statisztikailag szignifikánsan nagyobb eltérést ért el a levegőben (\(p < 0,017\), 2. táblázat) a többi tengelyszimmetrikus tűhöz (AX2-3) képest.de szignifikáns különbségek nem voltak megfigyelhetők a tű vízbe helyezésekor.与其他轴对称针(AX2-3) 相比，具有最长斜角长度的轴对称称的轴对称称称筭滊渞与羺氰着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时，没有观察到显着差异. Más axiálisan szimmetrikus tűkkel (AX2-3) összehasonlítva ennek van a leghosszabb, 4 mm-es, tengelyirányban szimmetrikus (AX1) ferde szöge a levegőben, és statisztikailag szignifikáns maximális elhajlást ért el (\(p < 0,017\), 2. táblázat) , de amikor a tűt vízbe helyezték, nem volt jelentős különbség. Осесимметричный скос 4 мм (AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает статистически знахполчимое максим сравнению с другими осесимметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), но существенной разницлы онебылы. A leghosszabb, 4 mm-es lejtőhosszúságú tengelyszimmetrikus lejtő (AX1) statisztikailag szignifikáns maximális eltérést adott a levegőben a többi tengelyszimmetrikus lejtőhöz (AX2-3) képest (\(p < 0,017\), 2. táblázat), de nem volt jelentős különbség.akkor figyelhető meg, amikor a tűt vízbe helyezik.Így a hosszabb ferde hossznak nincs nyilvánvaló előnye a csúcscsúcs elhajlása szempontjából.Ezt figyelembe véve kiderül, hogy a jelen tanulmányban vizsgált lejtőgeometria nagyobb mértékben befolyásolja az amplitúdó elhajlást, mint a lejtő hossza.Ez összefügghet például a hajlítási merevséggel, a hajlítandó anyagtól és az építőtű teljes vastagságától függően.
A kísérleti vizsgálatok során a visszavert hajlítóhullám nagyságát a csúcs peremfeltételei befolyásolják.Amikor a tűhegyet vízbe és zselatinba szúrták, a \(\text {PTE}_{2}\) \(\approx\) 95%-ot, a \(\text {PTE}_{2}\) pedig az értékeket átlagolta. 73% (\text {PTE}_{1}\) és \(\text {PTE}_{3}\) 77% (11. ábra).Ez azt jelzi, hogy az akusztikus energia maximális átvitele az öntőközeghez (például vízhez vagy zselatinhoz) \(f_2\) esetén következik be.Hasonló viselkedést figyeltek meg egy korábbi, egyszerűbb eszközszerkezettel 41-43 kHz-es frekvencián végzett vizsgálatban, ahol a szerzők bemutatták az interkalált közeg mechanikai modulusához kapcsolódó feszültségreflexiós együtthatót.A behatolási mélység32 és a szövet mechanikai tulajdonságai mechanikai terhelést jelentenek a tűn, ezért várhatóan befolyásolják az UZeFNAB rezonancia viselkedését.Ezért a rezonanciakövető algoritmusok, például a 17, 18, 33 használhatók az érintőceruzán keresztül kiadott hang teljesítményének optimalizálására.
A hajlítási hullámhossz modellezés (7. ábra) azt mutatja, hogy a tengelyszimmetrikus nagyobb szerkezeti merevséggel (azaz nagyobb hajlítási merevséggel) rendelkezik a csúcson, mint a lándzsa és az aszimmetrikus ferde.Az (1)-ből levezetve és az ismert sebesség-frekvencia összefüggést felhasználva megbecsüljük a lándzsa hajlítási merevségét, az aszimmetrikus és a tengelyszimmetrikus csúcsok hajlítási merevségét \(\körülbelül) 200, 20 és 1500 MPa meredekségként.Ez (\lambda _y\) 5,3, 1,7 és 14,2 mm-nek felel meg 29,75 kHz-en (7a–c ábra).Figyelembe véve az USeFNAB eljárás klinikai biztonságát, értékelni kell a geometria hatását a ferde kialakítás merevségére34.
A ferde ferde paraméterek és a cső hosszának vizsgálata (9. ábra) azt mutatta, hogy az aszimmetrikus (1,8 mm) optimális TL tartomány magasabb volt, mint a tengelyszimmetrikus ferde (1,3 mm) esetében.Ezenkívül a mobilitási plató 4-4,5 mm, aszimmetrikus és tengelyszimmetrikus dőlés esetén 6-7 mm (9a, b ábra).Ennek a megállapításnak a gyakorlati jelentőségét a gyártási tűrések fejezik ki, például az optimális TL alacsonyabb tartománya nagyobb hosszpontosság szükségességét jelentheti.Ugyanakkor a hozamplatform nagyobb toleranciát biztosít a lejtőhossz megválasztására adott gyakoriság mellett, anélkül, hogy jelentősen befolyásolná a hozamot.
A tanulmány a következő korlátozásokat tartalmazza.A tűelhajlás közvetlen mérése élérzékeléssel és nagysebességű képalkotással (12. ábra) azt jelenti, hogy az optikailag átlátszó közegekre korlátozódik, mint például a levegő és a víz.Szeretnénk még kiemelni, hogy nem kísérletekkel teszteltük a szimulált transzfermobilitást és fordítva, hanem FEM-vizsgálatokkal határoztuk meg a gyártott tű optimális hosszát.A gyakorlati korlátok szempontjából a lándzsa hossza a hegyétől a hüvelyig 0,4 cm-rel hosszabb, mint a többi tűnél (AX1-3), lásd az ábrát.3b.Ez befolyásolhatta az acicularis szerkezet modális válaszát.Ezenkívül a hullámvezető ólomforrasz alakja és térfogata (lásd a 3. ábrát) befolyásolhatja a csap kialakításának mechanikai impedanciáját, ami hibákat eredményezhet a mechanikai impedanciában és a hajlítási viselkedésben.
Végül kísérletileg kimutattuk, hogy a kúp geometriája befolyásolja az USeFNAB eltérítésének mértékét.Olyan helyzetekben, ahol a nagyobb elhajlási amplitúdó pozitívan befolyásolhatja a tű szövetre gyakorolt hatását, például a szúrás utáni vágási hatékonyságot, a hagyományos lándzsa ajánlható az USeFNAB-hoz, mivel ez biztosítja a legnagyobb eltérítési amplitúdót, miközben megőrzi a kellő merevséget. a tervezés csúcsán.Ezenkívül egy közelmúltban végzett tanulmány kimutatta, hogy a hegyek nagyobb elhajlása fokozhatja a biológiai hatásokat, például a kavitációt, ami segíthet a minimálisan invazív sebészeti beavatkozások alkalmazásainak kidolgozásában.Tekintettel arra, hogy a növekvő teljes akusztikus teljesítményről kimutatták, hogy növeli az USeFNAB13 biopszia hozamát, további kvantitatív vizsgálatokra van szükség a minta hozamával és minőségével kapcsolatban a vizsgált tűgeometria részletes klinikai előnyeinek felméréséhez.
Frable, WJ Finom tű aspirációs biopszia: áttekintés.Humph.Beteg.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Feladás időpontja: 2022.10.13