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È stato recentemente dimostrato che l'uso degli ultrasuoni aumenta la resa tissutale nell'aspirazione con ago sottile assistita da ultrasuoni (USeFNAB) rispetto all'aspirazione con ago sottile convenzionale (FNAB).Ad oggi, la relazione tra la geometria del bisello e il movimento della punta non è stata studiata a fondo.In questo studio, abbiamo studiato le proprietà della risonanza dell'ago e dell'ampiezza di deflessione per varie geometrie dello smusso dell'ago con diverse lunghezze dello smusso.Utilizzando una lancetta smussata convenzionale da 3,9 mm, il fattore di potenza di deflessione della punta (DPR) in aria e acqua era rispettivamente di 220 e 105 µm/W.Questo è più alto rispetto alla punta smussata assialsimmetrica da 4 mm, fornendo rispettivamente 180 e 80 µm/W DPR in aria e acqua.Questo studio evidenzia l'importanza della relazione tra la rigidità alla flessione della geometria del bisello nel contesto di diversi mezzi di inserimento e pertanto può fornire informazioni sui metodi per controllare l'azione di taglio post-sfondamento modificando la geometria del bisello dell'ago, il che è importante.per un'applicazione USeFNAB è fondamentale.
La biopsia con ago sottile (FNA) è un metodo per ottenere campioni di tessuto per sospetta patologia1,2,3 utilizzando un ago.È stato dimostrato che la punta Franseen fornisce prestazioni diagnostiche più elevate rispetto alle punte convenzionali Lancet4 e Menghini5.Si suggerisce anche che le pendenze assialsimmetriche (cioè circonferenziali) aumentino la probabilità di campioni istopatologicamente adeguati.
Durante una biopsia, un ago viene fatto passare attraverso strati di pelle e tessuto per accedere a lesioni sospette.Studi recenti hanno dimostrato che gli ultrasuoni possono ridurre la forza di penetrazione necessaria per accedere ai tessuti molli7,8,9,10.È stato dimostrato che la geometria dello smusso dell'ago influisce sulle forze di interazione dell'ago; ad esempio, è stato dimostrato che smussi più lunghi hanno forze di penetrazione nei tessuti inferiori11.Dopo che l'ago è penetrato nella superficie del tessuto, cioè dopo la puntura, la forza di taglio dell'ago può essere pari al 75% della forza di interazione dell'ago con il tessuto12.È stato dimostrato che nella fase post-puntura gli ultrasuoni (ultrasuoni) aumentano l'efficienza della biopsia diagnostica dei tessuti molli.Sono state sviluppate altre tecniche di biopsia ossea potenziate dagli ultrasuoni per prelevare campioni di tessuto duro, ma non sono stati riportati risultati che migliorino la resa della biopsia.Numerosi studi hanno inoltre confermato che lo spostamento meccanico aumenta quando sottoposto a stress ultrasonico16,17,18.Sebbene esistano molti studi sulle forze statiche assiali (longitudinali) nelle interazioni ago-tessuto19,20, esistono studi limitati sulla dinamica temporale e sulla geometria dello smusso dell'ago sotto FNAB ultrasonico (USeFNAB).
Lo scopo di questo studio era di studiare l'effetto di diverse geometrie di smusso sul movimento della punta dell'ago in un ago azionato dalla flessione ad ultrasuoni.In particolare, abbiamo studiato l'effetto del mezzo di iniezione sulla deflessione della punta dell'ago dopo la puntura per gli aghi smussati tradizionali (ovvero, aghi USeFNAB per vari scopi come l'aspirazione selettiva o l'acquisizione di tessuti molli.
In questo studio sono state incluse varie geometrie di smusso.(a) La specifica Lancet è conforme alla norma ISO 7864:201636 dove \(\alpha\) è lo smusso primario, \(\theta\) è l'angolo di rotazione dello smusso secondario e \(\phi\) è lo smusso secondario angolo., durante la rotazione, in gradi (\(^\circ\)).(b) Smussi a passo singolo asimmetrici lineari (chiamati "standard" nella norma DIN 13097:201937) e (c) Smussi a passo singolo assialsimmetrici lineari (circonferenziali).
Il nostro approccio inizia modellando il cambiamento nella lunghezza d'onda di flessione lungo lo smusso per geometrie di smusso a lancetta convenzionale, assialsimmetriche e asimmetriche a stadio singolo.Abbiamo quindi calcolato uno studio parametrico per esaminare l'effetto della pendenza e della lunghezza del tubo sulla fluidità meccanica del trasferimento.Ciò è necessario per determinare la lunghezza ottimale per realizzare un ago prototipo.Sulla base della simulazione, sono stati realizzati prototipi di aghi e il loro comportamento risonante è stato caratterizzato sperimentalmente misurando i coefficienti di riflessione della tensione e calcolando l'efficienza di trasferimento di potenza in aria, acqua e gelatina balistica al 10% (p/v), da cui è stata determinata la frequenza operativa .Infine, l’imaging ad alta velocità viene utilizzato per misurare direttamente la deflessione dell’onda di flessione sulla punta dell’ago in aria e acqua, nonché per stimare la potenza elettrica erogata ad ogni angolo obliquo e la geometria del rapporto di potenza di deflessione ( DPR) al mezzo iniettato..
Come mostrato nella Figura 2a, utilizzare un tubo calibro 21 (diametro esterno 0,80 mm, diametro interno 0,49 mm, spessore parete tubo 0,155 mm, parete standard) per definire il tubo dell'ago con lunghezza tubo (TL) e angolo smussato (BL) in conformità con ISO 9626:201621) in acciaio inossidabile 316 (modulo di Young 205 \(\text {GN/m}^{2}\), densità 8070 kg/m\(^{3}\) e rapporto di Poisson 0,275 ).
Determinazione della lunghezza d'onda di flessione e messa a punto del modello agli elementi finiti (FEM) per le condizioni dell'ago e al contorno.(a) Determinazione della lunghezza dello smusso (BL) e della lunghezza del tubo (TL).(b) Modello tridimensionale (3D) agli elementi finiti (FEM) che utilizza una forza puntuale armonica \(\tilde{F}_y\vec {j}\) per guidare l'ago prossimalmente, deviare il punto e misurare la velocità nel punto tip (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) per calcolare il trasferimento della fluidità meccanica.\(\lambda _y\) è definita come la lunghezza d'onda di flessione relativa alla forza verticale \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definizioni del centro di gravità, dell'area della sezione trasversale A e dei momenti di inerzia \(I_{xx}\) e \(I_{yy}\) attorno agli assi xey, rispettivamente.
Come mostrato in fig.2b,c, per un raggio infinito (infinito) con area della sezione trasversale A e con una lunghezza d'onda maggiore della dimensione della sezione trasversale del raggio, la velocità di fase piegata (o piegata) \( c_{EI }\) è determinata da 22 :
dove E è il modulo di Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) è la frequenza angolare di eccitazione (rad/s), dove \( f_0 \ ) è la frequenza lineare (1/s o Hz), I è il momento di inerzia dell'area attorno all'asse di interesse\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) è la massa sull'unità di lunghezza (kg/m), dove \(\rho _0\) è la densità\((\text {kg/m}^{3})\) e A è la croce sezione dell'area della trave (piano xy) (\(\ text {m}^{2}\)).Poiché la forza applicata nel nostro esempio è parallela all'asse y verticale, ovvero \(\tilde{F}_y\vec {j}\), siamo interessati solo al momento d'inerzia regionale attorno all'asse x orizzontale, cioè \(I_{xx}\), quindi:
Per il modello agli elementi finiti (FEM), si assume uno spostamento armonico puro (m), quindi l'accelerazione (\(\text {m/s}^{2}\)) è espressa come \(\partial ^2 \vec { u}/ \ parziale t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) come \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) è un vettore di spostamento tridimensionale dato in coordinate spaziali.Invece di quest'ultima, in conformità con la sua implementazione nel pacchetto software COMSOL Multiphysics (versioni 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), la forma lagrangiana a deformazione finita della legge di equilibrio della quantità di moto è data come segue:
dove \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) è l'operatore di divergenza del tensore, \({\underline{\sigma}}\) è il secondo tensore dello stress di Piola-Kirchhoff (secondo ordine, \(\ text { N/ m}^{2}\)) e \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) è il vettore della forza del corpo (\(\text {N/m}^{3}\)) per ciascun volume deformato, e \(e^{j\phi }\) è il vettore dell'angolo di fase\(\ phi \ ) ( lieto).Nel nostro caso, la forza di volume del corpo è zero, il nostro modello presuppone la linearità geometrica e una piccola deformazione puramente elastica, cioè dove \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) e \({\underline {\varepsilon}}\) sono rispettivamente la deformazione elastica e la deformazione totale (del secondo ordine, adimensionale).Il tensore dell'elasticità isotropa costitutiva di Hooke \(\underline{\underline{C}}\) viene calcolato utilizzando il modulo di Young E (\(\text {N/m}^{2}\)) e viene determinato il rapporto di Poisson v, quindi ovvero \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (quarto ordine).Quindi il calcolo dello stress diventa \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Il calcolo utilizza un elemento tetraedrico a 10 nodi con una dimensione dell'elemento \(\le\) di 8 µm.L'ago è modellato nel vuoto e il valore della mobilità meccanica trasferita (ms-1 N-1) è definito come \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, dove \(\tilde{v}_y\vec {j}\) è la velocità complessa di uscita del manipolo e \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) è una forza motrice complessa situata all'estremità prossimale del tubo, come mostrato nella Figura 2b.Traduci la fluidità meccanica in decibel (dB) utilizzando come riferimento il valore massimo, ovvero \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Tutti gli studi FEM sono stati condotti ad una frequenza di 29,75 kHz.
Il design dell'ago (Fig. 3) è costituito da un ago ipodermico convenzionale calibro 21 (Cat. No. 4665643, Sterican\(^\circledR\), diametro esterno 0,8 mm, lunghezza 120 mm, acciaio inossidabile AISI 304 al cromo-nichel acciaio, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germania) dotato di un manicotto Luer Lock in plastica realizzato in polipropilene all'estremità prossimale e opportunamente modificato all'estremità.Il tubo dell'ago è saldato alla guida d'onda come mostrato in Fig. 3b.Le guide d'onda sono state stampate su una stampante 3D in acciaio inossidabile (acciaio inossidabile EOS 316L su una stampante 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia) e quindi fissate al sensore Langevin utilizzando bulloni M4.Il sensore Langevin è costituito da 8 elementi anulari piezoelettrici caricati su entrambe le estremità con due masse.
I quattro tipi di punte (foto), una lancetta disponibile in commercio (L) e tre smussi assialsimmetrici a fase singola prodotti (AX1-3) erano caratterizzati da lunghezze di smusso (BL) rispettivamente di 4, 1,2 e 0,5 mm.(a) Primo piano della punta dell'ago finita.(b) Vista dall'alto di quattro pin saldati alla guida d'onda stampata in 3D e quindi collegati al sensore Langevin con bulloni M4.
Sono state prodotte tre punte per smusso assialsimmetriche (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) con lunghezze di smusso (BL, come definito in Fig. 2a) di 4,0, 1,2 e 0,5 mm, corrispondenti a \(\circa) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) e 18\(^\circ\) rispettivamente.La massa della guida d'onda e dell'ago è 3,4 ± 0,017 g (media ± sd, n = 4) per gli smussi L e AX1-3, rispettivamente (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Germania) .Per le smussature L e AX1-3 nella Figura 3b, la lunghezza totale dalla punta dell'ago all'estremità del manicotto di plastica era rispettivamente di 13,7, 13,3, 13,3 e 13,3 cm.
Per tutte le configurazioni dell'ago, la lunghezza dalla punta dell'ago alla punta della guida d'onda (cioè all'area di saldatura) era di 4,3 cm e il tubo dell'ago era orientato con il taglio verso l'alto (cioè parallelo all'asse Y). , come mostrato in figura.c (figura 2).
Uno script personalizzato in MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) in esecuzione su un computer (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) è stato utilizzato per generare una scansione sinusoidale lineare da 25 a 35 kHz per 7 secondi, passaggio Un convertitore digitale-analogico (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA) si converte in un segnale analogico.Il segnale analogico \(V_0\) (0,5 Vp-p) è stato quindi amplificato con un amplificatore a radiofrequenza (RF) dedicato (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).La tensione amplificata in caduta \({V_I}\) dall'amplificatore RF con un'impedenza di uscita di 50 ohm viene alimentata a un trasformatore integrato nella struttura ad ago con un'impedenza di ingresso di 50 ohm.I trasduttori Langevin (trasduttori piezoelettrici multistrato per carichi pesanti anteriori e posteriori) vengono utilizzati per generare onde meccaniche.L'amplificatore RF personalizzato è dotato di un misuratore del fattore di potenza dell'onda stazionaria (SWR) a doppio canale che registra la tensione amplificata incidente \({V_I}\) e riflessa\(V_R\) in modalità analogico-digitale (AD).con frequenza di campionamento di 300 kHz Convertitore (Discovery 2 analogico).Il segnale di eccitazione è modulato in ampiezza all'inizio e alla fine per evitare di sovraccaricare l'ingresso dell'amplificatore con transitori.
Utilizzando uno script personalizzato implementato in MATLAB, la funzione di risposta in frequenza (FRF), ovvero \(\tilde{H}(f)\), è stata stimata offline utilizzando un metodo di misurazione dello sweep sinusoidale a due canali (Fig. 4), che presuppone linearità nel tempo.sistema invariante.Inoltre, viene applicato un filtro passa banda da 20 a 40 kHz per rimuovere eventuali frequenze indesiderate dal segnale.Facendo riferimento alla teoria delle linee di trasmissione, in questo caso \(\tilde{H}(f)\) equivale al coefficiente di riflessione della tensione, ovvero \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) diminuisce a \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) uguale a \(|\rho _{V}|^2\).Nei casi in cui sono richiesti valori di potenza elettrica assoluta, la potenza incidente \(P_I\) e la potenza riflessa \(P_R\) potenza (W) vengono calcolate prendendo ad esempio il valore efficace (rms) della tensione corrispondente.per una linea di trasmissione con eccitazione sinusoidale \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, dove \(Z_0\) è uguale a 50 \(\Omega\).La potenza elettrica fornita al carico \(P_T\) (ovvero il mezzo inserito) può essere calcolata come \(|P_I – P_R |\) (W RMS), così come l'efficienza di trasferimento di potenza (PTE) e la percentuale ( %) può essere determinato come viene data la forma, quindi 27:
Le frequenze modali aciculari \(f_{1-3}\) (kHz) e i corrispondenti fattori di trasferimento di potenza \(\text {PTE}_{1{-}3} \) vengono quindi stimati utilizzando la FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) stimato direttamente da \(\text {PTE}_{1{-}3}\), dalla Tabella 1 A unilaterale lo spettro lineare è ottenuto alla frequenza modale descritta \(f_{1-3}\).
Misura della risposta in frequenza (AFC) delle strutture dell'ago.Una misura di scansione sinusoidale a due canali25,38 viene utilizzata per ottenere la funzione di risposta in frequenza \(\tilde{H}(f)\) e la sua risposta all'impulso H(t).\({\mathcal {F}}\) e \({\mathcal {F}}^{-1}\) rappresentano rispettivamente la trasformata di Fourier del troncamento digitale e il suo inverso.\(\tilde{G}(f)\) significa il prodotto di due segnali nel dominio della frequenza, ad esempio \(\tilde{G}_{XrX}\) significa il prodotto di scansione inversa\(\tilde{ X} r (f)\ ) e caduta di tensione \(\tilde{X}(f)\) rispettivamente.
Come mostrato nella Figura 5, la fotocamera ad alta velocità (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) è dotata di un obiettivo macro (MP-E 65mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokyo, Giappone), per registrare le deflessioni della punta durante l'eccitazione di flessione (frequenza singola, sinusoide continua) a frequenze di 27,5-30 kHz.Per creare una mappa delle ombre, un elemento raffreddato di un LED bianco ad alta intensità (codice articolo: 4052899910881, LED bianco, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Germania) è stato posizionato dietro la punta dell'ago.
Vista frontale dell'apparato sperimentale.La profondità è misurata dalla superficie del mezzo.La struttura dell'ago è bloccata e montata su una tavola di trasferimento motorizzata.Utilizzare una fotocamera ad alta velocità con un obiettivo ad alto ingrandimento (5\(\x\)) per misurare la deviazione dell'angolo obliquo.Tutte le dimensioni sono in millimetri.
Per ogni tipo di smusso dell'ago, abbiamo registrato 300 fotogrammi di una fotocamera ad alta velocità di 128 \(\x\) 128 pixel, ciascuno con una risoluzione spaziale di 1/180 mm (\(\circa) 5 µm), con un risoluzione temporale di 310.000 fotogrammi al secondo.Come mostrato nella Figura 6, ciascun fotogramma (1) viene ritagliato (2) in modo tale che la punta dell'ago si trovi nell'ultima riga (in basso) del fotogramma e viene calcolato l'istogramma dell'immagine (3), in modo che il Canny è possibile determinare le soglie 1 e 2.Quindi applica il rilevamento dei bordi Canny 28(4) con l'operatore Sobel 3 \(\times\) 3 e calcola le posizioni per i pixel non ipotenusi (etichettati \(\mathbf {\times }\)) senza cavitazione 300 passaggi temporali.Per determinare l'intervallo di deflessione della punta, calcolare la derivata (utilizzando l'algoritmo della differenza centrale) (6) e determinare il fotogramma (7) che contiene gli estremi locali (cioè il picco) della deflessione.Dopo un'ispezione visiva del bordo privo di cavitazione, è stata selezionata una coppia di fotogrammi (o due fotogrammi con un intervallo di metà tempo) (7) ed è stata misurata la deflessione della punta (indicata come \(\mathbf {\times } \) ).Quanto sopra è implementato in Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) utilizzando l'algoritmo di rilevamento dei bordi OpenCV Canny (v4.5.1, libreria di visione artificiale open source, opencv.org).Infine, il fattore di potenza di deflessione (DPR, µm/W) viene calcolato come il rapporto tra la deflessione picco-picco e la potenza elettrica trasmessa \(P_T\) (Wrms).
Utilizzando un algoritmo in 7 fasi (1-7), compreso il ritaglio (1-2), il rilevamento del bordo Canny (3-4), il calcolo, misurare la posizione dei pixel del bordo di deflessione della punta utilizzando una serie di fotogrammi presi da un'alta quota autovelox a 310 kHz ( 5) e la sua derivata temporale (6) e, infine, l'intervallo di deflessione della punta viene misurato su coppie di fotogrammi controllati visivamente (7).
Misurato in aria (22,4-22,9°C), acqua deionizzata (20,8-21,5°C) e gelatina balistica acquosa al 10% (p/v) (19,7-23,0°C , \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatina di ossa di bovino e di maiale per analisi balistiche di tipo I, Honeywell International, North Carolina, USA).La temperatura è stata misurata con un amplificatore per termocoppia di tipo K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) e una termocoppia di tipo K (sonda per sfere Fluke 80PK-1 n. 3648 tipo K, Fluke Corporation, Washington, USA).Utilizzare uno stadio con asse Z motorizzato verticale (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituania) per misurare la profondità dalla superficie del supporto (impostata come origine dell'asse Z) con una risoluzione di 5 µm per passo.
Poiché la dimensione del campione era piccola (n = 5) e non è stato possibile presupporre la normalità, è stato utilizzato il test della somma dei ranghi di Wilcoxon a due code a due campioni (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). per confrontare la quantità di varianza della punta dell'ago per vari smussi.Sono stati effettuati tre confronti per ciascuna pendenza, quindi è stata applicata una correzione Bonferroni con un livello di significatività corretto di 0,017 e un tasso di errore del 5%.
Si fa riferimento alla Fig. 7 di seguito.A 29,75 kHz, la semilunghezza d'onda curva (\(\lambda _y/2\)) di un ago calibro 21 è \(\approssimativamente) 8 mm.La lunghezza d'onda di flessione diminuisce lungo il pendio man mano che si avvicina alla punta.Sulla punta \(\lambda _y/2\) sono presenti smussi a gradini di 3, 1 e 7 mm rispettivamente per lancette ordinarie (a), asimmetriche (b) e assialsimmetriche (c).Ciò significa quindi che la lancetta differirà di \(\circa\) 5 mm (a causa del fatto che i due piani della lancetta formano un punto di 29,30), la pendenza asimmetrica varierà di 7 mm e la pendenza simmetrica di 1 mm.Pendii assialsimmetrici (il baricentro rimane lo stesso, quindi cambia solo lo spessore della parete lungo il pendio).
Applicazione dello studio FEM a 29,75 kHz ed equazione.(1) Calcolare la variazione della semionda di flessione (\(\lambda _y/2\)) per la geometria obliqua lancetta (a), asimmetrica (b) e assialsimmetrica (c) (come in Fig. 1a,b,c).).La \(\lambda_y/2\) media per le pendenze lanceolate, asimmetriche e assialsimmetriche è rispettivamente 5,65, 5,17 e 7,52 mm.Si noti che lo spessore della punta per gli smussi asimmetrici e assialsimmetrici è limitato a \(\circa) 50 µm.
La mobilità di picco \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) è una combinazione di lunghezza ottimale del tubo (TL) e lunghezza di inclinazione (BL) (Fig. 8, 9).Per una lancetta convenzionale, poiché la sua dimensione è fissa, il TL ottimale è \(\circa\) 29,1 mm (Fig. 8).Per pendenze asimmetriche e assialsimmetriche (Fig. 9a, b, rispettivamente), lo studio FEM includeva BL da 1 a 7 mm, quindi gli intervalli TL ottimali erano da 26,9 a 28,7 mm (intervallo 1,8 mm) e da 27,9 a 29,2 mm (intervallo 1,3 millimetri).) ), rispettivamente.Per pendenze asimmetriche (Fig. 9a), il TL ottimale è aumentato linearmente, raggiungendo un plateau a BL 4 mm, per poi diminuire bruscamente da BL 5 a 7 mm.Per pendii assialsimmetrici (Fig. 9b), il TL ottimale aumenta linearmente con l'allungamento BL e infine si stabilizza a BL da 6 a 7 mm.Uno studio esteso delle pendenze assialsimmetriche (Fig. 9c) ha mostrato un diverso insieme di TL ottimali situati a \(\approssimativamente) 35,1–37,1 mm.Per tutti i BL, la distanza tra due serie di TL ottimali è \(\circa\) 8 mm (equivalente a \(\lambda _y/2\)).
Mobilità di trasmissione della lancetta a 29,75 kHz.Il tubo dell'ago è stato flesso ad una frequenza di 29,75 kHz, la vibrazione è stata misurata all'estremità ed espressa come quantità di mobilità meccanica trasmessa (dB rispetto al valore massimo) per TL 26,5-29,5 mm (passo di 0,1 mm).
Studi parametrici del FEM ad una frequenza di 29,75 kHz mostrano che la mobilità di trasferimento della punta assialsimmetrica è meno influenzata dalle variazioni di lunghezza del tubo rispetto alla sua controparte asimmetrica.Studi sulla lunghezza dello smusso (BL) e sulla lunghezza del tubo (TL) per geometrie dello smusso asimmetriche (a) e assialsimmetriche (b, c) negli studi nel dominio della frequenza utilizzando FEM (le condizioni al contorno sono mostrate nella Figura 2).(a, b) TL variava da 26,5 a 29,5 mm (passo di 0,1 mm) e BL 1-7 mm (passo di 0,5 mm).(c) Studio esteso dell'angolo obliquo assialsimmetrico che include TL 25-40 mm (passo di 0,05 mm) e 0,1-7 mm (passo di 0,1 mm) che rivela il rapporto desiderato \(\lambda_y/2\) Le condizioni al contorno in movimento libero per una punta sono soddisfatte.
La struttura dell'ago ha tre frequenze naturali \(f_{1-3}\) divise in regioni modali bassa, media e alta come mostrato nella Tabella 1. La dimensione PTE è mostrata nella Figura 10 e poi analizzata nella Figura 11. Di seguito sono riportate le risultati per ciascuna area modale:
Ampiezze tipiche registrate dell'efficienza di trasferimento di potenza istantanea (PTE) ottenute utilizzando eccitazione sinusoidale con frequenza di scansione a una profondità di 20 mm per una lancetta (L) e pendenze assialsimmetriche AX1-3 in aria, acqua e gelatina.Viene mostrato uno spettro unilaterale.La risposta in frequenza misurata (frequenza di campionamento di 300 kHz) è stata filtrata passa-basso e quindi sottocampionata di un fattore 200 per l'analisi modale.Il rapporto segnale/rumore è \(\le\) 45 dB.La fase PTE (linea tratteggiata viola) è mostrata in gradi (\(^{\circ}\)).
L'analisi della risposta modale è mostrata nella Figura 10 (media ± deviazione standard, n = 5) per le pendenze L e AX1-3 in aria, acqua e gelatina al 10% (profondità 20 mm) con (in alto) tre regioni modali (bassa , media altezza).) e le corrispondenti frequenze modali\(f_{1-3}\) (kHz), efficienza energetica (media)\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) utilizzano equazioni di progettazione.(4) e (in basso) rappresentano rispettivamente la larghezza completa a metà del valore massimo misurato \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Si noti che quando si registra un PTE basso, cioè nel caso di una pendenza AX2, la misurazione della larghezza di banda viene omessa, \(\text {FWHM}_{1}\).La modalità \(f_2\) è considerata la più adatta per confrontare la deflessione dei piani inclinati, poiché dimostra il più alto livello di efficienza di trasferimento di potenza (\(\text {PTE}_{2}\)), fino a 99%.
Prima regione modale: \(f_1\) non dipende molto dal tipo di supporto inserito, ma dipende dalla geometria dello smusso.\(f_1\) diminuisce al diminuire della lunghezza dello smusso (rispettivamente 27,1, 26,2 e 25,9 kHz per AX1-3, in aria).Le medie regionali \(\text {PTE}_{1}\) e \(\text {FWHM}_{1}\) sono rispettivamente \(\circa\) 81% e 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) è stato il più alto in gelatina da Lancet (L, 473 Hz).Si noti che \(\text {FWHM}_{1}\) per AX2 in gelatina non può essere stimato a causa della bassa ampiezza delle risposte in frequenza riportate.
La seconda regione modale: \(f_2\) dipende dal tipo di materiale incollato e smussato.Nell'aria, nell'acqua e nella gelatina i valori medi di \(f_2\) sono rispettivamente 29,1, 27,9 e 28,5 kHz.Anche il PTE per questa regione modale ha raggiunto il 99%, il più alto tra tutti i gruppi di misurazione, con una media regionale dell’84%.La media dell'area \(\text {FWHM}_{2}\) è \(\circa\) 910 Hz.
Terza regione modale: \(f_3\) La frequenza dipende dal tipo di mezzo di inserimento e di smusso.I valori medi di \(f_3\) sono rispettivamente 32,0, 31,0 e 31,3 kHz in aria, acqua e gelatina.\(\text {PTE}_{3}\) ha una media regionale del \(\approssimativamente\) 74%, la più bassa di qualsiasi regione.La media regionale \(\text {FWHM}_{3}\) è \(\approssimativamente\) 1085 Hz, che è più alta rispetto alla prima e alla seconda regione.
Quanto segue fa riferimento alla Fig.12 e Tabella 2. La lancetta (L) ha deviato maggiormente (con elevata significatività per tutte le punte, \(p<\) 0,017) sia in aria che in acqua (Fig. 12a), ottenendo il DPR più alto (fino a 220 µm/ W in aria). 12 e Tabella 2. La lancetta (L) ha deviato maggiormente (con elevata significatività per tutte le punte, \(p<\) 0,017) sia in aria che in acqua (Fig. 12a), ottenendo il DPR più alto (fino a 220 µm/ W in aria). Si spegne quindi il rischio 12 e la tabella 2. La linguetta (L) si chiude più in alto (con la massima sicurezza per tutto). х наконечников, \(p<\) 0,017) как воздухе, так и воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Quanto segue si applica alla Figura 12 e alla Tabella 2. La lancetta (L) ha deviato maggiormente (con alta significatività per tutte le punte, \(p<\) 0,017) sia in aria che in acqua (Fig. 12a), ottenendo il DPR più alto.(fare 220 μm/W in aria).Si fa riferimento alla Figura 12 e alla Tabella 2 di seguito.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) ha la più alta deflessione in aria e acqua (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), e ha raggiunto il DPR più alto (fino a 220 µm/ W in aria). La linguetta (L) mostra un'eccellente disattivazione (tutta la posizione per tutti i segnali, \(p<\) 0,017) nell'acqua e nell'acqua (ris 2a), la fornitura è molto elevata DPR (fino a 220 mкм/Вт воздухе). La lancetta (L) ha la deviazione più grande (altamente significativa per tutte le punte, \(p<\) 0,017) in aria e acqua (Fig. 12a), raggiungendo il DPR più alto (fino a 220 µm/W in aria). Nell'aria, AX1 che aveva un BL più alto, deviava più di AX2–3 (con significatività, \(p<\) 0,017), mentre AX3 (che aveva un BL più basso) deviava più di AX2 con un DPR di 190 µm/W. Nell'aria, AX1 che aveva un BL più alto, deviava più di AX2–3 (con significatività, \(p<\) 0,017), mentre AX3 (che aveva un BL più basso) deviava più di AX2 con un DPR di 190 µm/W. Da AX1 con più BL si chiude, da AX2–3 (con valore \(p<\) 0,017), così come AX3 (da BL ) ha aperto più in alto, quello AX2 con DPR 190 мкм/Вт. In aria, AX1 con BL più alto ha deviato più di AX2–3 (con significatività \(p<\) 0,017), mentre AX3 (con BL più basso) ha deviato più di AX2 con DPR 190 µm/W.AX3 (p<\) 0.017）, AX3 (BL)于AX2, DPR 为190 µm/W. In aria, la deflessione di AX1 con BL più alto è maggiore di quella di AX2-3 (significativamente, \(p<\) 0,017), e la deflessione di AX3 (con BL più basso) è maggiore di quella di AX2, DPR è 190 µm/W. Nel caso di AX1 con più BL si ottiene una maggiore clonazione, quello di AX2-3 (valore, \(p<\) 0,017), così come AX3 (come no come BL) presenta una maggiore distanza, come AX2 con DPR 190 μm/Вт. In aria, AX1 con BL più alto ha una deviazione maggiore di AX2-3 (significativo, \(p<\) 0,017), mentre AX3 (con BL più basso) ha una deviazione maggiore di AX2 con DPR di 190 μm/W. In acqua a 20 mm, non sono state riscontrate differenze significative (\(p>\) 0,017) nella deflessione e nel PTE per AX1–3. In acqua a 20 mm, non sono state riscontrate differenze significative (\(p>\) 0,017) nella deflessione e nel PTE per AX1–3. Con acqua di 20 mm di diametro distribuito (\(p>\) 0,017) durante il processo e il ФТР per AX1–3 non è stato eliminato. In acqua a una profondità di 20 mm, sono state rilevate differenze significative (\(p>\) 0,017) nella deflessione e nel FTR per AX1–3.Con una lunghezza di 20 mm, il sensore AX1-3 e il valore PTE (\(p>\) 0,017)。 In 20 mm di acqua non è stata riscontrata alcuna differenza significativa tra AX1-3 e PTE (\(p>\) 0,017). Il programma PTE AX1-3 e la guaina da 20 mm non sono stati rimossi (\(p>\) 0,017). Alla profondità di 20 mm la deflessione e il PTE AX1-3 non differivano significativamente (\(p>\) 0,017).I livelli di PTE nell'acqua (90,2–98,4%) erano generalmente più alti che nell'aria (56–77,5%) (Fig. 12c), e durante l'esperimento in acqua è stato notato il fenomeno della cavitazione (Fig. 13, vedi anche ulteriore informazione).
Le misurazioni dell'ampiezza della flessione della punta (media ± deviazione standard, n = 5) per gli smussi L e AX1-3 in aria e acqua (profondità 20 mm) hanno rivelato l'effetto della modifica della geometria dello smusso.Le misure sono ottenute utilizzando l'eccitazione sinusoidale continua a singola frequenza.(a) Deviazione del picco (\(u_y\vec {j}\)) al vertice, misurata in (b) le rispettive frequenze modali \(f_2\).(c) Efficienza di trasmissione di potenza (PTE, rms,%) come equazione.(4) e (d) Fattore di potenza di deviazione (DPR, µm/W) calcolato come deviazione di picco e potenza di trasmissione \(P_T\) (Wrms).
Tipico diagramma delle ombre di una telecamera ad alta velocità che mostra la deflessione totale della punta della lancetta (linee tratteggiate verdi e rosse) della lancetta (L) e della punta assialsimmetrica (AX1-3) in acqua (profondità 20 mm), mezzo ciclo, frequenza di azionamento \(f_2\) (frequenza di campionamento 310 kHz).L'immagine in scala di grigi catturata ha dimensioni di 128×128 pixel con una dimensione in pixel di \(\circa) 5 µm.Il video può essere trovato in ulteriori informazioni.
Pertanto, abbiamo modellato il cambiamento nella lunghezza d'onda di flessione (Fig. 7) e calcolato la mobilità meccanica per il trasferimento per combinazioni convenzionali lanceolate, asimmetriche e assiali di lunghezza del tubo e smusso (Fig. 8, 9).Geometria smussata simmetrica.Sulla base di quest'ultimo, abbiamo stimato che la distanza ottimale punta-saldatura fosse di 43 mm (o \(\circa\) 2,75\(\lambda_y\) a 29,75 kHz) come mostrato nella Figura 5, e abbiamo fabbricato tre smussi assialsimmetrici con diverse lunghezze di smusso.Abbiamo quindi caratterizzato le loro risposte in frequenza rispetto alle lancette convenzionali in aria, acqua e gelatina balistica al 10% (p/v) (Figure 10, 11) e determinato il caso migliore per confrontare la modalità di deflessione dell'inclinazione.Infine, abbiamo misurato la deflessione della punta piegando l'onda in aria e acqua a una profondità di 20 mm e quantificando l'efficienza di trasferimento di potenza (PTE,%) e il fattore di potenza di deflessione (DPR, µm/W) del mezzo iniettato per ciascuna inclinazione.tipo (Fig. 12).
I risultati mostrano che l'asse di inclinazione della geometria influenza la deviazione di ampiezza dell'asse della punta.La lancetta aveva la curvatura più alta e anche il DPR più alto rispetto al bisello assialsimmetrico, mentre il bisello assialsimmetrico aveva una deviazione media minore (Fig. 12). Il bisello assialsimmetrico da 4 mm (AX1) con la lunghezza del bisello più lunga, ha ottenuto la massima deflessione in aria statisticamente significativa (\(p < 0,017\), Tabella 2), rispetto ad altri aghi assialsimmetrici (AX2–3), ma non sono state osservate differenze significative quando l'ago è stato immerso nell'acqua. Il bisello assialsimmetrico da 4 mm (AX1) con la lunghezza del bisello più lunga, ha ottenuto la massima deflessione in aria statisticamente significativa (\(p < 0,017\), Tabella 2), rispetto ad altri aghi assialsimmetrici (AX2–3), ma non sono state osservate differenze significative quando l'ago è stato immerso nell'acqua. Scossa oscillometrica da 4 mm (AX1), indicazione della lunghezza d'onda, indicazione statistica ения воздухе (\(p <0,017\), tabella 2) по сравнению с Dругими осесимметричными иглами (AX2–3). Il bisello assialsimmetrico da 4 mm (AX1), avendo la lunghezza del bisello più lunga, ha ottenuto una deviazione maggiore statisticamente significativa nell'aria (\(p < 0,017\), Tabella 2) rispetto ad altri aghi assialsimmetrici (AX2–3).ma non sono state osservate differenze significative quando si è immerso l'ago nell'acqua.4 mm di diametro (AX1) per l'installazione di un'unità di controllo della velocità (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. Rispetto ad altri aghi assialsimmetrici (AX2-3), ha l'angolo obliquo più lungo di 4 mm assialsimmetrici (AX1) nell'aria e ha raggiunto una deflessione massima statisticamente significativa (\(p < 0,017\), Tabella 2) , ma quando l'ago è stato immerso nell'acqua, non è stata osservata alcuna differenza significativa. Il disco oscillometrico da 4 mm (AX1) con il più grande disco digitale richiede l'esclusione massima delle statistiche nella risoluzione dei problemi con altri giochi osesimmetrici (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabella 2), la risoluzione non è corretta было. Il pendio assialsimmetrico con la lunghezza del pendio più lunga di 4 mm (AX1) ha fornito una deviazione massima statisticamente significativa in aria rispetto agli altri pendii assialsimmetrici (AX2-3) (\(p < 0,017\), Tabella 2), ma non c'era differenza significativa.si osserva quando l'ago viene immerso nell'acqua.Pertanto, una lunghezza del bisello maggiore non presenta evidenti vantaggi in termini di deflessione della punta del picco.Tenendo conto di ciò, risulta che la geometria del pendio, oggetto di studio in questo studio, ha un’influenza maggiore sulla deflessione dell’ampiezza rispetto alla lunghezza del pendio.Ciò può essere correlato alla rigidità alla flessione, ad esempio, a seconda del materiale da piegare e dello spessore complessivo dell'ago da costruzione.
Negli studi sperimentali, l'entità dell'onda di flessione riflessa è influenzata dalle condizioni al contorno della punta.Quando la punta dell'ago è stata inserita in acqua e gelatina, \(\text {PTE}_{2}\) ha registrato una media del \(\circa\) 95% e \(\text {PTE}_{2}\) ha calcolato una media dei valori sono 73% e 77% (\text {PTE}_{1}\) e \(\text {PTE}_{3}\), rispettivamente (Fig. 11).Ciò indica che il massimo trasferimento di energia acustica al mezzo di fusione (ad esempio acqua o gelatina) avviene in \(f_2\).Un comportamento simile è stato osservato in uno studio precedente utilizzando strutture di dispositivi più semplici a frequenze di 41-43 kHz, in cui gli autori hanno dimostrato il coefficiente di riflessione della tensione associato al modulo meccanico del mezzo intercalato.La profondità di penetrazione32 e le proprietà meccaniche del tessuto forniscono un carico meccanico sull'ago e quindi si prevede che influenzino il comportamento risonante dell'UZeFNAB.Pertanto, è possibile utilizzare algoritmi di tracciamento della risonanza come 17, 18, 33 per ottimizzare la potenza del suono trasmesso attraverso lo stilo.
Il modello della lunghezza d'onda di piegatura (Fig. 7) mostra che l'assialsimmetrico ha una maggiore rigidità strutturale (cioè una maggiore rigidità alla flessione) sulla punta rispetto alla lancetta e al bisello asimmetrico.Derivato da (1) e utilizzando la nota relazione velocità-frequenza, stimiamo la rigidezza alla flessione delle punte della lancetta, asimmetriche e assialsimmetriche come pendenze \(\circa) 200, 20 e 1500 MPa, rispettivamente.Ciò corrisponde a (\lambda _y\) 5,3, 1,7 e 14,2 mm a 29,75 kHz, rispettivamente (Fig. 7a–c).Considerando la sicurezza clinica della procedura USeFNAB, è necessario valutare l'influenza della geometria sulla rigidità del disegno del bisello34.
Lo studio dei parametri del bisello e della lunghezza del tubo (Fig. 9) ha mostrato che il range TL ottimale per il bisello asimmetrico (1,8 mm) era superiore a quello per il bisello assialsimmetrico (1,3 mm).Inoltre, il plateau della mobilità varia da 4 a 4,5 mm e da 6 a 7 mm rispettivamente per l'inclinazione asimmetrica e assialsimmetrica (Fig. 9a, b).La rilevanza pratica di questa scoperta è espressa nelle tolleranze di produzione, ad esempio, un intervallo inferiore di TL ottimale può implicare la necessità di una maggiore precisione della lunghezza.Allo stesso tempo, la piattaforma di rendimento fornisce una maggiore tolleranza per la scelta della lunghezza del pendio ad una data frequenza senza influenzare significativamente il rendimento.
Lo studio include le seguenti limitazioni.La misurazione diretta della deflessione dell'ago utilizzando il rilevamento dei bordi e l'imaging ad alta velocità (Figura 12) significa che siamo limitati a mezzi otticamente trasparenti come aria e acqua.Desideriamo inoltre sottolineare che non abbiamo utilizzato esperimenti per testare la mobilità di trasferimento simulata e viceversa, ma abbiamo utilizzato studi FEM per determinare la lunghezza ottimale dell'ago prodotto.Dal punto di vista delle limitazioni pratiche, la lunghezza della lancetta dalla punta alla manica è 0,4 cm più lunga rispetto ad altri aghi (AX1-3), vedere fig.3b.Ciò potrebbe aver influenzato la risposta modale della struttura aciculare.Inoltre, la forma e il volume della saldatura del piombo della guida d'onda (vedere Figura 3) possono influenzare l'impedenza meccanica del design del pin, con conseguenti errori nell'impedenza meccanica e nel comportamento alla flessione.
Infine, abbiamo dimostrato sperimentalmente che la geometria della smussatura influenza la quantità di deflessione in USeFNAB.In situazioni in cui un'ampiezza di deflessione maggiore può avere un effetto positivo sull'effetto dell'ago sul tessuto, ad esempio, l'efficienza di taglio dopo la puntura, si può consigliare una lancetta convenzionale per USeFNAB, poiché fornisce la massima ampiezza di deflessione pur mantenendo una rigidità sufficiente sulla punta del disegno.Inoltre, uno studio recente ha dimostrato che una maggiore deflessione della punta può potenziare gli effetti biologici come la cavitazione, il che potrebbe aiutare a sviluppare applicazioni per interventi chirurgici minimamente invasivi.Dato che è stato dimostrato che l'aumento della potenza acustica totale aumenta la resa della biopsia da USeFNAB13, sono necessari ulteriori studi quantitativi sulla resa e sulla qualità del campione per valutare il beneficio clinico dettagliato della geometria dell'ago studiata.
Frable, WJ Biopsia per aspirazione con ago sottile: una revisione.Humph.Malato.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Orario di pubblicazione: 13 ottobre 2022