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초음파를 사용하면 기존 미세침 흡인(FNAB)에 비해 초음파 보조 미세침 흡인(USEFNAB)에서 조직 수율이 증가한다는 것이 최근 입증되었습니다.현재까지 베벨 형상과 팁 이동 사이의 관계는 철저히 연구되지 않았습니다.본 연구에서는 베벨 길이가 다른 다양한 니들 베벨 형상에 대한 바늘 공명 및 편향 진폭의 특성을 조사했습니다.기존의 3.9mm 경사 랜싯을 사용했을 때 공기와 물의 팁 편향 역률(DPR)은 각각 220 및 105μm/W였습니다.이는 축대칭 4mm 베벨 팁보다 높으며 공기와 물에서 각각 180 및 80 µm/W DPR을 제공합니다.이 연구는 다양한 삽입 수단의 맥락에서 베벨 형상의 굽힘 강성 간의 관계의 중요성을 강조하므로 중요한 바늘 베벨 형상을 변경하여 피어싱 후 절단 동작을 제어하는 방법에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.USeFNAB 애플리케이션의 경우 매우 중요합니다.
미세침 흡인 생검(FNA)은 바늘을 사용하여 의심되는 병리1,2,3에 대한 조직 샘플을 얻는 방법입니다.Franseen 팁은 기존 Lancet4 및 Menghini5 팁보다 더 높은 진단 성능을 제공하는 것으로 나타났습니다.조직병리학적으로 적절한 표본의 가능성을 높이기 위해 축대칭(즉, 원주) 경사도 제안됩니다.
생검 중에 의심스러운 병변에 접근하기 위해 바늘을 피부와 조직의 층을 통과시킵니다.최근 연구에 따르면 초음파는 연조직에 접근하는 데 필요한 침투력을 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.7,8,9,10.바늘 베벨 형상은 바늘 상호 작용력에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 예를 들어 베벨이 길수록 조직 침투력이 낮아지는 것으로 나타났습니다11.바늘이 조직 표면을 관통한 후, 즉 천자 후 바늘의 절단력은 바늘과 조직의 상호 작용력의 75%가 될 수 있습니다12.천자 후 단계에서 초음파(초음파)는 진단 연조직 생검의 효율성을 높이는 것으로 나타났습니다.경조직 샘플을 채취하기 위해 다른 초음파 강화 뼈 생검 기술이 개발되었지만 생검 수율을 향상시키는 결과는 보고되지 않았습니다.수많은 연구에서도 초음파 응력을 받을 때 기계적 변위가 증가한다는 사실이 확인되었습니다.바늘-조직 상호 작용의 축(세로) 정적 힘에 대한 많은 연구가 있지만 초음파 FNAB(USeFNAB) 하에서 바늘 베벨의 시간적 역학 및 형상에 대한 연구는 제한되어 있습니다.
이 연구의 목적은 초음파 굽힘에 의해 구동되는 바늘의 바늘 끝 움직임에 대한 다양한 베벨 형상의 영향을 조사하는 것이었습니다.특히, 우리는 전통적인 바늘 베벨(즉, 선택적 흡인 또는 연조직 획득과 같은 다양한 목적을 위한 USeFNAB 바늘)에 대한 천자 후 바늘 끝 편향에 대한 주입 매체의 효과를 조사했습니다.
이 연구에는 다양한 베벨 형상이 포함되었습니다.(a) Lancet 사양은 ISO 7864:201636을 준수합니다. 여기서 \(\alpha\)는 기본 베벨이고, \(\theta\)는 보조 베벨의 회전 각도이고, \(\phi\)는 보조 베벨입니다. 각도., 회전할 때 각도 단위(\(^\circ\)).(b) 선형 비대칭 단일 단계 모따기(DIN 13097:201937에서 "표준"이라고 함) 및 (c) 선형 축대칭(원주) 단일 단계 모따기.
우리의 접근 방식은 기존의 란셋, 축대칭 및 비대칭 단일 스테이지 베벨 형상에 대한 베벨을 따라 굽힘 파장의 변화를 모델링하는 것으로 시작됩니다.그런 다음 파이프 경사와 길이가 이송의 기계적 유동성에 미치는 영향을 조사하기 위해 파라메트릭 연구를 계산했습니다.이는 프로토타입 바늘을 제작하기 위한 최적의 길이를 결정하는 데 필요합니다.시뮬레이션을 기반으로 바늘 프로토타입을 제작하고 전압 반사 계수를 측정하고 공기, 물 및 10%(w/v) 탄도 젤라틴의 전력 전달 효율을 계산하여 바늘의 공진 동작을 실험적으로 특성화했으며, 이로부터 작동 주파수가 결정되었습니다. .마지막으로 고속 이미징을 사용하여 공기와 수중에서 바늘 끝 부분의 굽힘 파동의 편향을 직접 측정하고 각 경사각에서 전달되는 전력과 편향 전력 비율의 기하학적 구조를 추정합니다( DPR)을 주입된 배지에 추가합니다..
그림 2a에 표시된 대로 21게이지 튜브(0.80mm OD, 0.49mm ID, 튜브 벽 두께 0.155mm, 표준 벽)를 사용하여 ISO에 따라 튜브 길이(TL) 및 베벨 각도(BL)로 바늘 튜브를 정의합니다. 9626:201621) 316 스테인리스강(영률 205\(\text {GN/m}^{2}\), 밀도 8070 kg/m\(^{3}\) 및 포아송 비 0.275).
바늘 및 경계 조건에 대한 유한 요소 모델(FEM)의 굽힘 파장 결정 및 조정.(a) 베벨 길이(BL)와 파이프 길이(TL) 결정.(b) 조화 점 힘 \(\tilde{F}_y\vec {j}\)을 사용하여 바늘을 근위 방향으로 구동하고 점을 편향시키고 속도를 측정하는 3차원(3D) 유한 요소 모델(FEM) 팁 (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) 기계적 유동성 전달을 계산합니다.\(\lambda _y\)는 수직 힘 \(\tilde{F}_y\vec {j}\)에 대한 굽힘 파장으로 정의됩니다.(c) x축과 y축 주위의 무게 중심, 단면적 A, 관성 모멘트 \(I_{xx}\) 및 \(I_{yy}\)를 각각 정의합니다.
그림과 같이.2b,c, 단면적이 A이고 파장이 빔의 단면 크기보다 큰 무한(무한) 빔의 경우 구부러진(또는 구부러진) 위상 속도 \(c_{EI }\)는 22에 의해 결정됩니다. :
여기서 E는 영률(\(\text {N/m}^{2}\))이고, \(\omega _0 = 2\pi f_0\)은 여기 각주파수(rad/s)입니다. 여기서 \( f_0 \ )는 선형 주파수(1/s 또는 Hz)이고, I는 관심 축 주변 영역의 관성 모멘트\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ )는 단위 길이당 질량(kg/m)입니다. 여기서 \(\rho _0\)은 밀도\((\text {kg/m}^{3})\)이고 A는 십자형입니다. 빔 영역의 단면(xy 평면)(\(\ text {m}^{2}\)).우리의 예에서 적용된 힘은 수직 y축에 평행하기 때문에, 즉 \(\tilde{F}_y\vec {j}\), 우리는 수평 x축 주위의 지역 관성 모멘트에만 관심이 있습니다. 즉, \(I_{xx}\)이므로 다음과 같습니다.
유한 요소 모델(FEM)의 경우 순수 조화 변위(m)를 가정하므로 가속도(\(\text {m/s}^{2}\))는 \(\partial ^2 \vec로 표현됩니다. { u}/ \ 부분 t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\)는 공간 좌표로 주어진 3차원 변위 벡터입니다.후자 대신 COMSOL Multiphysics 소프트웨어 패키지(버전 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA)의 구현에 따라 운동량 균형 법칙의 유한 변형 라그랑주 형식은 다음과 같이 제공됩니다.
여기서 \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\)는 텐서 발산 연산자이고, \({\underline{\sigma}}\)는 두 번째 Piola-Kirchhoff 응력 텐서(2차, \(\ text { N/ m}^{2}\)) 및 \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \)는 각 변형된 체적에 대한 물체력 벡터(\(\text {N/m}^{3}\))이고 \(e^{j\phi }\)는 위상각 벡터\(\ phi \ ) ( 기쁜).우리의 경우, 물체의 부피 힘은 0이고, 우리 모델은 기하학적 선형성과 작은 순수 탄성 변형을 가정합니다. 즉, \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) 및 \({\underline {\varepsilon}}\)은 각각 탄성 변형률과 총 변형률(2차, 무차원)입니다.Hooke의 구성 등방성 탄성 텐서 \(\underline{\underline{C}}\)는 영률 E(\(\text {N/m}^{2}\))를 사용하여 계산되고 포아송 비 v는 다음과 같이 결정됩니다. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\)(4차).따라서 응력 계산은 \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\)가 됩니다.
계산에서는 요소 크기 \(\le\)가 8μm인 10노드 사면체 요소를 사용합니다.바늘은 진공에서 모델링되었으며 전달된 기계적 이동도(ms-1 N-1)의 값은 \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ 물결표{F}_y\vec {j}|\)24, 여기서 \(\tilde{v}_y\vec {j}\)는 핸드피스의 출력 복소 속도이고 \( \ 물결표 {F}_y\ vec {j }\)는 그림 2b에 표시된 것처럼 튜브의 근위 말단에 위치한 복잡한 추진력입니다.최대값을 기준으로 기계적 유동성을 데시벨(dB) 단위로 변환합니다. 즉, \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .모든 FEM 연구는 29.75kHz의 주파수에서 수행되었습니다.
바늘의 디자인(그림 3)은 기존의 21게이지 피하 주사 바늘(Cat. No. 4665643, Sterican\(^\circledR\), 외경 0.8mm, 길이 120mm, AISI 304 스테인리스 크롬-니켈)로 구성됩니다. steel, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany) 근위 단부에 폴리프로필렌으로 제조되고 단부에 적절하게 변형된 플라스틱 Luer Lock 슬리브가 장착되어 있습니다.니들 튜브는 그림 3b와 같이 도파관에 납땜됩니다.도파관은 스테인리스 스틸 3D 프린터(EOS M 290 3D 프린터의 EOS 316L 스테인리스 스틸, 핀란드 Jyväskylä의 3D Formtech Oy)에서 인쇄한 다음 M4 볼트를 사용하여 Langevin 센서에 부착했습니다.Langevin 센서는 양쪽 끝에 2개의 질량이 장착된 8개의 압전 링 요소로 구성됩니다.
4가지 유형의 팁(사진), 시중에서 판매되는 란셋(L) 및 제조된 3개의 축대칭 단일 스테이지 베벨(AX1-3)의 베벨 길이(BL)는 각각 4, 1.2 및 0.5mm입니다.(a) 완성된 바늘 끝의 클로즈업.(b) 3D 인쇄된 도파관에 납땜된 후 M4 볼트로 Langevin 센서에 연결된 4개의 핀의 상단 보기.
3개의 축대칭 베벨 팁(그림 3)이 4.0, 1.2 및 0.5mm의 베벨 길이(BL, 그림 2a에 정의된 대로)로 제조되었습니다(TA Machine Tools Oy). circ\), 7\(^\circ\) 및 18\(^\circ\)입니다.도파관과 바늘의 질량은 베벨 L과 AX1-3에 대해 각각 3.4 ± 0.017g(평균 ± sd, n = 4)입니다(Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Germany) .그림 3b의 L 및 AX1-3 베벨의 경우 바늘 끝에서 플라스틱 슬리브 끝까지의 총 길이는 각각 13.7, 13.3, 13.3 및 13.3cm입니다.
모든 바늘 구성에 대해 바늘 끝에서 도파관 끝(즉, 용접 영역)까지의 길이는 4.3cm였으며 바늘 튜브는 절단 부분이 위쪽(즉, Y축에 평행)으로 방향이 지정되었습니다. , 그림에 표시된 것처럼.c (그림 2).
컴퓨터(Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA)에서 실행되는 MATLAB(R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA)의 사용자 정의 스크립트를 사용하여 7초 동안 25~35kHz의 선형 정현파 스윕을 생성했습니다. 통과 디지털-아날로그(DA) 변환기(Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA)가 아날로그 신호로 변환됩니다.그런 다음 아날로그 신호 \(V_0\)(0.5Vp-p)를 전용 무선 주파수(RF) 증폭기(Mariachi Oy, Turku, Finland)를 사용하여 증폭했습니다.출력 임피던스가 50옴인 RF 증폭기에서 떨어지는 증폭 전압 \({V_I}\)은 입력 임피던스가 50옴인 바늘 구조에 내장된 변압기에 공급됩니다.Langevin 변환기(전면 및 후면의 견고한 다층 압전 변환기)는 기계적 파동을 생성하는 데 사용됩니다.맞춤형 RF 증폭기에는 AD(아날로그-디지털) 모드에서 입사({V_I}\) 및 반사 증폭 전압(V_R\)을 기록하는 이중 채널 정재파 역률(SWR) 미터가 장착되어 있습니다.300kHz 변환기(아날로그 Discovery 2)의 샘플링 속도를 사용합니다.여기 신호는 과도 현상으로 인해 증폭기 입력에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 시작과 끝에서 진폭 변조됩니다.
MATLAB에 구현된 사용자 정의 스크립트를 사용하여 주파수 응답 함수(FRF), 즉 \(\tilde{H}(f)\)는 2채널 정현파 스위프 측정 방법(그림 4)을 사용하여 오프라인으로 추정되었습니다. 시간의 선형성.불변 시스템.또한 20~40kHz 대역 통과 필터가 적용되어 신호에서 원치 않는 주파수를 제거합니다.전송선 이론을 참조하면, 이 경우 \(\tilde{H}(f)\)는 전압 반사 계수와 동일합니다. 즉, \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \)는 \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ )로 감소하여 \(|\rho _{V}|^2\)와 같습니다.절대 전력값이 필요한 경우, 입사전력\(P_I\)과 반사전력\(P_R\) 전력(W)은 예를 들어 해당 전압의 실효값(rms)을 취하여 계산됩니다.정현파 여기 \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26을 갖는 전송선의 경우 \(Z_0\)는 50\(\Omega\)와 같습니다.부하 \(P_T\)(즉, 삽입된 매체)에 공급되는 전력은 \(|P_I – P_R |\)(W RMS)뿐만 아니라 전력 전달 효율(PTE) 및 백분율( %)는 모양이 어떻게 주어지는지 결정할 수 있으므로 27:
그런 다음 침상 모달 주파수 \(f_{1-3}\)(kHz) 및 해당 전력 전달 계수 \(\text {PTE}_{1{-}3} \)가 FRF를 사용하여 추정됩니다.FWHM(\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz)은 표 1에서 \(\text {PTE}_{1{-}3}\)로부터 직접 추정됩니다. 단측 선형 스펙트럼은 설명된 모달 주파수 \(f_{1-3}\)에서 얻어집니다.
바늘 구조의 주파수 응답(AFC) 측정.정현파 2채널 스윕 측정25,38은 주파수 응답 함수 \(\tilde{H}(f)\)와 임펄스 응답 H(t)를 얻는 데 사용됩니다.\({\mathcal {F}}\) 및 \({\mathcal {F}}^{-1}\)은 각각 디지털 절단의 푸리에 변환과 그 역을 나타냅니다.\(\tilde{G}(f)\)는 주파수 영역에서 두 신호의 곱을 의미합니다. 예를 들어 \(\tilde{G}_{XrX}\)는 역 스캔 곱을 의미합니다.\(\tilde{ X} r (f)\ ) 및 전압 강하 \(\tilde{X}(f)\).
그림 5에서 볼 수 있듯이 고속 카메라(Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA)에는 매크로 렌즈(MP-E 65mm, \(f\)/2.8, 1-5\)가 장착되어 있습니다.(\times\), Canon Inc., Tokyo, Japan), 27.5-30kHz의 주파수에서 굽힘 여기(단일 주파수, 연속 정현파) 중 팁 편향을 기록합니다.섀도우 맵을 생성하기 위해 고강도 백색 LED(부품 번호: 4052899910881, 백색 LED, 3000K, 4150lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Germany)의 냉각 요소를 바늘 끝 뒤에 배치했습니다.
실험 장치의 전면 모습입니다.깊이는 매체 표면에서부터 측정됩니다.바늘 구조는 전동식 이송 테이블에 고정되어 장착됩니다.경사각 편차를 측정하려면 고배율 렌즈(5\(\x\))가 있는 고속 카메라를 사용하십시오.모든 치수는 밀리미터 단위입니다.
각 유형의 니들 베벨에 대해 우리는 128\(\x\) 128 픽셀을 측정하는 고속 카메라의 300 프레임을 각각 1/180mm(\(\about) 5μm)의 공간 해상도로 기록했습니다. 초당 310,000 프레임의 시간적 해상도.그림 6과 같이 바늘 끝이 프레임의 마지막 줄(하단)에 오도록 각 프레임(1)을 잘라내고(2) 이미지(3)의 히스토그램을 계산하므로 Canny 1과 2의 임계값을 결정할 수 있습니다.그런 다음 Sobel 연산자 3\(\times\) 3을 사용하여 Canny 가장자리 감지 28(4)를 적용하고 캐비테이션 300 시간 단계 없이 빗변이 아닌 픽셀(\(\mathbf {\times }\)로 표시)의 위치를 계산합니다.팁 편향 범위를 결정하려면 중앙 차이 알고리즘을 사용하여 도함수(6)를 계산하고 편향의 국지적 극단(즉, 피크)을 포함하는 프레임(7)을 결정합니다.캐비테이션이 없는 가장자리를 육안으로 검사한 후 한 쌍의 프레임(또는 절반 시간 간격으로 두 개의 프레임)을 선택하고(7) 팁의 처짐을 측정했습니다(\(\mathbf {\times } \) ).위 내용은 OpenCV Canny Edge 감지 알고리즘(v4.5.1, 오픈소스 컴퓨터 비전 라이브러리, opencv.org)을 사용하여 Python(v3.8, Python Software Foundation, python.org)에서 구현되었습니다.마지막으로 편향 역률(DPR, µm/W)은 전송된 전력 \(P_T\)(Wrms)에 대한 피크 대 피크 편향의 비율로 계산됩니다.
자르기(1-2), Canny 가장자리 감지(3-4), 계산을 포함한 7단계 알고리즘(1-7)을 사용하여 높은 곳에서 가져온 일련의 프레임을 사용하여 팁 편향 가장자리의 픽셀 위치를 측정합니다. 310kHz의 과속 카메라(5)와 그 시간 미분(6), 마지막으로 팁 편향 범위는 육안으로 확인된 프레임 쌍(7)에서 측정됩니다.
공기(22.4~22.9°C), 탈이온수(20.8~21.5°C) 및 10%(w/v) 수성 탄도 젤라틴(19.7~23.0°C)에서 측정, \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Type I 탄도 분석용 소 및 돼지 뼈 젤라틴, Honeywell International, North Carolina, USA).온도는 K형 열전대 증폭기(AD595, Analog Devices Inc., MA, USA)와 K형 열전대(Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA)를 사용하여 측정되었습니다.수직 전동 Z축 스테이지(8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., 빌니우스, 리투아니아)를 사용하여 단계당 5μm의 해상도로 미디어 표면(Z축의 원점으로 설정)에서 깊이를 측정합니다.
표본 크기가 작아(n = 5) 정규성을 가정할 수 없으므로 2표본 양측 Wilcoxon 순위합 검정(R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org)을 사용했습니다. 다양한 베벨에 대한 바늘 끝의 변화량을 비교합니다.각 기울기에 대해 3번의 비교가 이루어졌으므로 조정된 유의 수준 0.017과 오류율 5%로 Bonferroni 보정이 적용되었습니다.
아래의 도 7을 참조한다.29.75kHz에서 21게이지 바늘의 곡선형 반파장(\(\lambda _y/2\))은 \(\대략) 8mm입니다.굴곡 파장은 팁에 접근함에 따라 경사면을 따라 감소합니다.팁 \(\lambda _y/2\)에는 일반 란셋(a), 비대칭(b) 및 축대칭(c)에 대해 각각 3, 1 및 7mm의 계단식 경사가 있습니다.따라서 이는 란셋이 \(\약\) 5mm(란셋의 두 평면이 29.30의 점을 형성한다는 사실로 인해)만큼 다르고 비대칭 경사는 7mm만큼 달라지며 대칭 경사는 7mm만큼 달라질 것임을 의미합니다. 1mm씩.축대칭 경사(무게 중심은 동일하게 유지되므로 실제로 경사를 따라 벽 두께만 변경됨).
29.75kHz에서 FEM 연구와 방정식을 적용합니다.(1) 란셋(a), 비대칭(b) 및 축대칭(c) 경사 형상(그림 1a,b,c에서와 같이)에 대한 굽힘 반파 변화(\(\lambda _y/2\))를 계산합니다.).란셋, 비대칭 및 축대칭 경사의 평균 \(\lambda_y/2\)는 각각 5.65, 5.17 및 7.52mm입니다.비대칭 및 축대칭 베벨의 팁 두께는 \(\about) 50μm로 제한됩니다.
최대 이동도 \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\)는 최적의 튜브 길이(TL)와 경사 길이(BL)의 조합입니다(그림 8, 9).기존 란셋의 경우 크기가 고정되어 있으므로 최적의 TL은 \(\about\) 29.1mm입니다(그림 8).비대칭 및 축대칭 경사(각각 그림 9a, b)의 경우 FEM 연구에는 1~7mm의 BL이 포함되었으므로 최적의 TL 범위는 26.9~28.7mm(범위 1.8mm) 및 27.9~29.2mm(범위)였습니다. 1.3mm).) ) 각각.비대칭 경사면(그림 9a)의 경우 최적의 TL은 선형적으로 증가하여 BL 4mm에서 안정기에 도달한 다음 BL 5에서 7mm로 급격히 감소했습니다.축대칭 경사면(그림 9b)의 경우 최적의 TL은 BL 신장에 따라 선형적으로 증가하고 최종적으로 BL에서 6mm에서 7mm로 안정화됩니다.축대칭 경사면에 대한 확장된 연구(그림 9c)는 \(\대략) 35.1–37.1 mm에 위치한 다양한 최적 TL 세트를 보여주었습니다.모든 BL의 경우 두 최적 TL 세트 사이의 거리는 \(\about\) 8mm(\(\lambda _y/2\)와 동일)입니다.
29.75kHz에서의 랜싯 전송 이동성.니들 튜브는 29.75 kHz의 주파수에서 구부러졌고, 진동은 끝에서 측정되었으며 TL 26.5-29.5 mm(0.1 mm 간격)에 대해 전달된 기계적 이동도의 양(최대 값에 대한 dB)으로 표현되었습니다.
29.75kHz의 주파수에서 FEM에 대한 파라메트릭 연구는 축대칭 팁의 전달 이동성이 비대칭 팁보다 튜브 길이 변화에 덜 영향을 받는다는 것을 보여줍니다.FEM을 사용한 주파수 영역 연구에서 비대칭(a) 및 축대칭(b, c) 베벨 형상에 대한 베벨 길이(BL) 및 파이프 길이(TL) 연구(경계 조건은 그림 2에 표시됨).(a, b) TL의 범위는 26.5~29.5mm(0.1mm 단계) 및 BL 1~7mm(0.5mm 단계)입니다.(c) 원하는 비율 \(\lambda_y/2\)을 나타내는 TL 25-40mm(0.05mm 단계) 및 0.1-7mm(0.1mm 단계)를 포함한 확장된 축대칭 경사각 연구 팁에 대한 느슨한 이동 경계 조건이 충족됩니다.
바늘 구조는 표 1에 표시된 것처럼 낮은, 중간 및 높은 모달 영역으로 구분된 3개의 고유 주파수 \(f_{1-3}\)를 갖습니다. PTE 크기는 그림 10에 표시되고 그림 11에서 분석됩니다. 아래는 각 모달 영역에 대한 결과:
공기, 물 및 젤라틴의 란셋(L) 및 축대칭 경사 AX1-3에 대해 20mm 깊이에서 스위프 주파수를 갖는 정현파 여기를 사용하여 얻은 일반적인 기록 순간 전력 전달 효율(PTE) 진폭입니다.단측 스펙트럼이 표시됩니다.측정된 주파수 응답(300kHz 샘플링 속도)은 저역 통과 필터링된 다음 모달 분석을 위해 200배로 다운샘플링되었습니다.신호 대 잡음비는 \(\le\) 45dB입니다.PTE 위상(보라색 점선)은 각도(\(^{\circ}\))로 표시됩니다.
공기, 물, 10% 젤라틴(20mm 깊이)의 L 및 AX1-3 경사면에 대한 모달 응답 분석은 그림 10(평균 ± 표준 편차, n = 5)에 나와 있으며 (상단) 세 개의 모달 영역(낮음)이 있습니다. , 중간, 높음).) 및 해당 모달 주파수\(f_{1-3}\)(kHz), (평균) 에너지 효율\(\text {PTE}_{1{-}3 }\)은 설계 방정식을 사용합니다.(4)와 (하단)은 각각 최대 측정값의 절반 전폭 \(\text {FWHM}_{1{-}3}\)(Hz)입니다.낮은 PTE를 기록할 때, 즉 AX2 경사의 경우 대역폭 측정이 생략됩니다(\(\text {FWHM}_{1}\)).\(f_2\) 모드는 최고 수준의 전력 전달 효율(\(\text {PTE}_{2}\))을 보여주기 때문에 경사면의 처짐을 비교하는 데 가장 적합한 것으로 간주됩니다. 99% .
첫 번째 모달 영역: \(f_1\)은 삽입된 미디어 유형에 크게 의존하지 않지만 경사 형상에 따라 다릅니다.\(f_1\)은 베벨 길이가 감소함에 따라 감소합니다(공기에서 AX1-3의 경우 각각 27.1, 26.2 및 25.9kHz).지역 평균 \(\text {PTE}_{1}\) 및 \(\text {FWHM}_{1}\)은 각각 \(\about\) 81% 및 230Hz입니다.\(\text {FWHM}_{1}\)는 Lancet의 젤라틴 함량이 가장 높았습니다(L, 473Hz).젤라틴의 AX2에 대한 \(\text {FWHM}_{1}\)는 보고된 주파수 응답의 크기가 낮기 때문에 추정할 수 없습니다.
두 번째 모달 영역: \(f_2\)는 페이스트 및 베벨 미디어 유형에 따라 다릅니다.공기, 물, 젤라틴에서 평균 \(f_2\) 값은 각각 29.1, 27.9, 28.5kHz입니다.이 모달 영역의 PTE도 99%에 달해 전체 측정 그룹 중 가장 높았으며, 지역 평균은 84%였습니다.면적 평균 \(\text {FWHM}_{2}\)은 \(\about\) 910Hz입니다.
세 번째 모달 영역: \(f_3\) 빈도는 삽입 매체 및 경사 유형에 따라 다릅니다.평균 \(f_3\) 값은 공기, 물 및 젤라틴에서 각각 32.0, 31.0 및 31.3kHz입니다.\(\text {PTE}_{3}\)의 지역 평균은 \(\대략\) 74%로 모든 지역 중 가장 낮습니다.지역 평균 \(\text {FWHM}_{3}\)은 \(\대략\) 1085Hz로 첫 번째 및 두 번째 지역보다 높습니다.
다음은 그림을 참조한다.12 및 표 2. 란셋(L)은 공기와 물 모두에서(모든 팁에 대한 높은 의미, \(p<\) 0.017) 가장 많이 편향되어(그림 12a) 가장 높은 DPR(최대 220μm/ W 공기 중). 12 및 표 2. 란셋(L)은 공기와 물 모두에서(모든 팁에 대한 높은 의미, \(p<\) 0.017) 가장 많이 편향되어(그림 12a) 가장 높은 DPR(최대 220μm/ W 공기 중). Следушее относится к рисунку 12 및 표 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостьу для всех наконечник ов, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . 다음은 그림 12와 표 2에 적용됩니다. Lancet(L)은 공기와 물 모두에서(모든 팁에 대해 높은 의미, \(p<\) 0.017) 가장 많이 편향되어(그림 12a) 가장 높은 DPR을 달성했습니다.(공기 중에서 220μm/W 수행)아래의 도 12 및 표 2를 참조한다.柳叶刀(L) 는 空气화수중(图12a) 中偏转最大(对所有尖端具有高島意义，\(p<\) 0.017) ，实现最高DPR （공기중고고达220 µm/W）。柳叶刀(L)은 공기와 물에서 가장 높은 처짐을 가지며(图12a)(对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0.017), 가장 높은 DPR을 달성했습니다(최대 220 µm/ W 공기 중). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), тигая самого высокого DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet(L)은 공기와 물에서 가장 큰 편차(모든 팁에 대해 매우 중요함, \(p<\) 0.017)를 가지며(그림 12a) 가장 높은 DPR(공기에서 최대 220μm/W)에 도달합니다. 공기 중에서는 BL이 더 높은 AX1이 AX2-3보다 더 많이 편향된 반면(유의성, \(p<\) 0.017) AX3(가장 낮은 BL을 가짐)은 DPR이 190μm/W인 AX2보다 더 많이 편향되었습니다. 공기 중에서는 BL이 더 높은 AX1이 AX2-3보다 더 많이 편향된 반면(유의성, \(p<\) 0.017) AX3(가장 낮은 BL을 가짐)은 DPR이 190μm/W인 AX2보다 더 많이 편향되었습니다. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостьу \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким откло) нялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. 공기 중에서는 BL이 더 높은 AX1이 AX2-3보다 더 많이 편향된 반면(유의성 \(p<\) 0.017) AX3(가장 낮은 BL을 가짐)은 DPR이 190μm/W인 AX2보다 더 많이 편향되었습니다.공기 중, 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) 偏转大于AX2,DPR 为190 µm/W. 공중에서는 BL이 높은 AX1의 처짐이 AX2-3의 처짐보다 높고(유의하게 \(p<\) 0.017), AX3(BL이 가장 낮은)의 처짐은 AX2의 처짐보다 높으며 DPR은 190입니다. μm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) еет большее отклонение, чем AX2 с DPR 190 mкм/Вт. 공기 중에서 BL이 높은 AX1은 AX2-3보다 편차가 더 크며(유의, \(p<\) 0.017), AX3(가장 낮은 BL)은 DPR이 190μm/W인 AX2보다 편차가 더 큽니다. 20mm 수심에서는 AX1-3의 처짐 및 PTE에 큰 차이(\(p>\) 0.017)가 발견되지 않았습니다. 20mm 수심에서는 AX1-3의 처짐 및 PTE에 큰 차이(\(p>\) 0.017)가 발견되지 않았습니다. В воде на глубине 20mm достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу 및 ФТР для AX1–3 없음 обнаружено. 20mm 깊이의 물에서 AX1-3에 대해 처짐과 FTR의 상당한 차이(\(p>\) 0.017)가 감지되었습니다.20mm의 물중, AX1-3의 크기와 PTE는 20mm 크기(\(p>\) 0.017)입니다. 20 mm 물에서는 AX1-3과 PTE 사이에 유의미한 차이가 없었습니다(\(p>\) 0.017). 20mm 프로그램과 PTE AX1-3은 отличались(\(p>\) 0,017)에 없습니다. 20mm 깊이에서 처짐과 PTE AX1-3은 크게 다르지 않았습니다(\(p>\) 0.017).물에서의 PTE 수준(90.2~98.4%)은 일반적으로 공기(56~77.5%)보다 높았으며(그림 12c), 물에서의 실험 중에 캐비테이션 현상이 나타났습니다(그림 13, 추가 참조). 정보).
공기와 물(깊이 20mm)에서 L 및 AX1-3 모따기에 대한 팁 굽힘 진폭 측정(평균 ± 표준 편차, n = 5)을 통해 모따기 형상 변경의 효과가 나타났습니다.측정은 연속 단일 주파수 정현파 여기를 사용하여 얻습니다.(a) 정점에서의 피크 편차(\(u_y\vec {j}\))는 (b) 해당 모달 주파수 \(f_2\)에서 측정됩니다.(c) 전력 전달 효율(PTE, rms, %)을 방정식으로 표현합니다.(4) 및 (d) 피크 편차 및 전송 전력 \(P_T\)(Wrms)로 계산된 편차 역률(DPR, µm/W).
물(깊이 20mm)에서 란셋(L)과 축대칭 팁(AX1-3)의 란셋 팁(녹색 및 빨간색 점선)의 전체 편향을 보여주는 고속 카메라의 일반적인 그림자 플롯, 반주기, 구동 주파수 \(f_2\)(주파수 310kHz 샘플링).캡처된 회색조 이미지의 크기는 128×128픽셀이고 픽셀 크기는 \(\대략) 5μm입니다.추가 정보에서 비디오를 찾을 수 있습니다.
따라서 우리는 굽힘 파장의 변화를 모델링하고(그림 7) 튜브 길이와 베벨의 기존 피침형, 비대칭 및 축 방향 조합에 대한 전달을 위한 기계적 이동성을 계산했습니다(그림 8, 9).대칭적인 베벨 기하학.후자를 기반으로 우리는 그림 5와 같이 최적의 팁-용접 거리를 43mm(또는 29.75kHz에서 \(\about\) 2.75\(\lambda_y\))로 추정하고 3개의 축대칭 베벨을 제작했습니다. 베벨 길이가 다릅니다.그런 다음 공기, 물 및 10%(w/v) 탄도 젤라틴(그림 10, 11)에서 기존 란셋과 비교하여 주파수 응답을 특성화하고 경사 편향 모드를 비교하기 위한 최상의 사례를 결정했습니다.마지막으로, 20mm 깊이의 공기와 물에서 굽힘파에 의한 팁 편향을 측정하고 각 기울기에 대해 주입된 매체의 전력 전달 효율(PTE, %)과 편향 역률(DPR, μm/W)을 정량화했습니다.유형(그림 12).
결과는 형상의 기울기 축이 팁 축의 진폭 편차에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.란셋은 축대칭 베벨에 비해 곡률이 가장 높고 DPR도 가장 높았으며, 축대칭 베벨은 평균 편차가 더 작았습니다(그림 12). 가장 긴 베벨 길이를 갖는 축 대칭 4mm 베벨(AX1)은 다른 축 대칭 바늘(AX2–3)과 비교하여 공기 중에서 통계적으로 유의미한 가장 높은 처짐을 달성했습니다(\(p < 0.017\), 표 2). 그러나 바늘을 물에 넣었을 때 유의미한 차이는 관찰되지 않았습니다. 가장 긴 베벨 길이를 갖는 축 대칭 4mm 베벨(AX1)은 다른 축 대칭 바늘(AX2–3)과 비교하여 공기 중에서 통계적으로 유의미한 가장 높은 처짐을 달성했습니다(\(p < 0.017\), 표 2). 그러나 바늘을 물에 넣었을 때 유의미한 차이는 관찰되지 않았습니다. Осесиметричный скос 4mm(AX1), имевучий наиbolьшуу длину скоса, 배송 통계 духе (\(p <0,017\), таблица 2) по сравненик с другими осесимметричными иглами (AX2–3). 가장 긴 베벨 길이를 갖는 축대칭 베벨 4mm(AX1)는 다른 축대칭 바늘(AX2–3)에 비해 공기 중에서 통계적으로 유의미한 더 큰 편차(\(p < 0.017\), 표 2)를 달성했습니다.그러나 바늘을 물에 넣었을 때 큰 차이는 관찰되지 않았습니다.与其他轴对称针(AX2-3) 与具他轴对称针(AX2-3) 与寔称4mm 斜角(AX1) 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。 다른 축 대칭 바늘(AX2-3)과 비교하여 공중에서 가장 긴 경사각 4mm 축 대칭(AX1)을 가지며 통계적으로 유의미한 최대 처짐을 달성했습니다(\(p < 0.017\), 표 2). , 그러나 바늘을 물에 넣었을 때 큰 차이는 관찰되지 않았습니다. Осесиметричный скос 4mm(AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает статистически значимое отклонение возд ухе по сравнениу с другими осесимметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), 표 2), но сучественной разницы не было. 경사 길이가 가장 긴 4mm의 축대칭 경사면(AX1)은 다른 축대칭 경사면(AX2-3)에 비해 대기 중 통계적으로 유의미한 최대 편차를 제공했지만(\(p < 0.017\), Table 2), 확연히 다른.바늘을 물에 넣었을 때 관찰됩니다.따라서 베벨 길이가 길수록 피크 팁 편향 측면에서 뚜렷한 이점이 없습니다.이를 고려할 때, 본 연구에서 조사한 경사기하학은 경사길이보다 진폭변형에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.이는 예를 들어 구부러지는 재료와 건설 바늘의 전체 두께에 따라 굽힘 강성과 관련될 수 있습니다.
실험적 연구에서 반사된 굴곡파의 크기는 팁의 경계 조건에 의해 영향을 받습니다.바늘 끝을 물과 젤라틴에 삽입했을 때 \(\text {PTE}_{2}\)는 평균 \(\about\) 95%, \(\text {PTE}_{2}\)는 평균 값을 나타냈습니다. 각각 73%와 77%(\text {PTE}_{1}\) 및 \(\text {PTE}_{3}\)입니다(그림 11).이는 주조 매체(예: 물 또는 젤라틴)로의 음향 에너지의 최대 전달이 \(f_2\)에서 발생함을 나타냅니다.41-43 kHz의 주파수에서 더 간단한 장치 구조를 사용하는 이전 연구에서도 유사한 동작이 관찰되었으며, 여기서 저자는 삽입된 매체의 기계적 계수와 관련된 전압 반사 계수를 입증했습니다.침투 깊이32와 조직의 기계적 특성은 바늘에 기계적 부하를 제공하므로 UZeFNAB의 공진 동작에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.따라서 17, 18, 33과 같은 공명 추적 알고리즘을 사용하여 스타일러스를 통해 전달되는 사운드의 출력을 최적화할 수 있습니다.
굽힘 파장 모델링(그림 7)은 축대칭이 란셋 및 비대칭 경사보다 팁에서 더 높은 구조적 강성(즉, 더 높은 굽힘 강성)을 가짐을 보여줍니다.(1)에서 파생되고 알려진 속도-주파수 관계를 사용하여 란셋, 비대칭 및 축대칭 팁의 굽힘 강성을 각각 기울기 \(\대략) 200, 20 및 1500MPa로 추정합니다.이는 29.75kHz에서 각각 (\lambda _y\) 5.3, 1.7 및 14.2mm에 해당합니다(그림 7a-c).USeFNAB 절차의 임상적 안전성을 고려할 때 베벨 디자인의 강성에 대한 형상의 영향을 평가해야 합니다34.
베벨 매개변수와 튜브 길이에 대한 연구(그림 9)에서는 비대칭(1.8mm)에 대한 최적 TL 범위가 축대칭 베벨(1.3mm)에 대한 것보다 더 높았다는 것을 보여주었습니다.또한 이동성 고원의 범위는 비대칭 및 축 대칭 기울기에 대해 각각 4~4.5mm, 6~7mm입니다(그림 9a, b).이 발견의 실제 관련성은 제조 공차로 표현됩니다. 예를 들어 최적의 TL 범위가 낮을수록 길이 정확도가 높아야 함을 의미할 수 있습니다.동시에, 수확량 플랫폼은 수확량에 큰 영향을 주지 않으면서 주어진 주파수에서 경사 길이 선택에 대한 더 큰 허용 오차를 제공합니다.
본 연구에는 다음과 같은 제한점이 포함됩니다.가장자리 감지 및 고속 이미징(그림 12)을 사용하여 바늘 편향을 직접 측정한다는 것은 공기 및 물과 같은 광학적으로 투명한 매체로 제한된다는 것을 의미합니다.우리는 또한 시뮬레이션된 전달 이동성을 테스트하기 위해 실험을 사용하지 않았고 그 반대의 경우도 마찬가지였지만 FEM 연구를 사용하여 제조된 바늘의 최적 길이를 결정했다는 점을 지적하고 싶습니다.실용적인 한계의 관점에서 볼 때, 끝에서 소매까지의 란셋 길이는 다른 바늘(AX1-3)보다 0.4cm 더 깁니다(그림 참조).3b.이는 침상 구조의 모달 반응에 영향을 미쳤을 수 있습니다.또한 도파관 리드 솔더의 모양과 부피(그림 3 참조)는 핀 설계의 기계적 임피던스에 영향을 미쳐 기계적 임피던스 및 굽힘 동작에 오류를 일으킬 수 있습니다.
마지막으로 베벨 형상이 USeFNAB의 편향량에 영향을 미친다는 것을 실험적으로 입증했습니다.편향 진폭이 높을수록 바늘이 조직에 미치는 영향(예: 천자 후 절단 효율)에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 상황에서는 충분한 강성을 유지하면서 최대 편향 진폭을 제공하므로 USeFNAB에 기존 란셋을 권장할 수 있습니다. 디자인의 끝.또한, 최근 연구에 따르면 팁 편향이 크면 캐비테이션과 같은 생물학적 효과가 향상되어 최소 침습 수술을 위한 응용 분야를 개발하는 데 도움이 될 수 있는 것으로 나타났습니다.총 음향 출력이 증가하면 USeFNAB13의 생검 수율이 증가하는 것으로 나타났으며, 연구된 바늘 형상의 상세한 임상적 이점을 평가하려면 샘플 수율 및 품질에 대한 추가 정량 연구가 필요합니다.
Frable, WJ 미세침 흡인 생검: 검토.흠.아픈.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
게시 시간: 2022년 10월 13일