Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.De browserversie die u gebruikt heeft beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, zullen we de site in de tussentijd weergeven zonder stijlen en JavaScript.
Onlangs is aangetoond dat het gebruik van echografie de weefselopbrengst verhoogt bij echografie-geassisteerde fijne naaldaspiratie (USeFNAB) in vergelijking met conventionele fijne naaldaspiratie (FNAB).Tot op heden is de relatie tussen de geometrie van de schuine kant en de beweging van de punt niet grondig bestudeerd.In deze studie hebben we de eigenschappen van naaldresonantie en afbuigingsamplitude onderzocht voor verschillende naaldafschuiningsgeometrieën met verschillende afschuiningslengtes.Bij gebruik van een conventioneel afgeschuind lancet van 3,9 mm was de tipafbuigvermogensfactor (DPR) in lucht en water respectievelijk 220 en 105 µm/W.Dit is hoger dan de asymmetrische afgeschuinde punt van 4 mm, die respectievelijk 180 en 80 µm/W DPR in lucht en water oplevert.Deze studie benadrukt het belang van de relatie tussen de buigstijfheid van de afschuiningsgeometrie in de context van verschillende inbrengmiddelen, en kan daarom inzicht verschaffen in methoden voor het controleren van de snijactie na het doorboren door de naaldafschuiningsgeometrie te veranderen, wat belangrijk is.voor een USeFNAB-toepassing is van cruciaal belang.
Fijne-naaldaspiratiebiopsie (FNA) is een methode voor het verkrijgen van weefselmonsters voor vermoedelijke pathologie1,2,3 met behulp van een naald.Er is aangetoond dat de Franseen-tip hogere diagnostische prestaties levert dan conventionele lancet4- en Menghini5-tips.Er wordt ook gesuggereerd dat asymmetrische (dwz omtreks)hellingen de waarschijnlijkheid van histopathologisch adequate specimens vergroten.
Tijdens een biopsie wordt een naald door huid- en weefsellagen gestoken om toegang te krijgen tot verdachte laesies.Recente onderzoeken hebben aangetoond dat echografie de penetratiekracht kan verminderen die nodig is om toegang te krijgen tot zachte weefsels7,8,9,10.Er is aangetoond dat de geometrie van de naaldafschuining de interactiekrachten op de naald beïnvloedt. Zo is aangetoond dat langere afschuiningen lagere weefselpenetratiekrachten hebben11.Nadat de naald het oppervlak van het weefsel is binnengedrongen, dat wil zeggen na een punctie, kan de snijkracht van de naald 75% bedragen van de interactiekracht van de naald met het weefsel12.Het is aangetoond dat echografie (echografie) in de fase na de punctie de efficiëntie van diagnostische weke delenbiopten verhoogt.Er zijn andere echografie-ondersteunde botbiopsietechnieken ontwikkeld voor het nemen van monsters van hard weefsel, maar er zijn geen resultaten gerapporteerd die de biopsieopbrengst verbeteren.Talrijke onderzoeken hebben ook bevestigd dat de mechanische verplaatsing toeneemt bij blootstelling aan ultrasone belasting16,17,18.Hoewel er veel onderzoeken zijn naar axiale (longitudinale) statische krachten bij naald-weefselinteracties19,20, zijn er beperkte onderzoeken naar de temporele dynamiek en geometrie van de naaldafschuining onder ultrasone FNAB (USeFNAB).
Het doel van deze studie was om het effect van verschillende schuine geometrieën op de beweging van de naaldpunt in een naald te onderzoeken die wordt aangedreven door ultrasoon buigen.In het bijzonder onderzochten we het effect van het injectiemedium op de afbuiging van de naaldpunt na punctie voor traditionele naaldafschuiningen (dwz USeFNAB-naalden voor verschillende doeleinden, zoals selectieve aspiratie of acquisitie van zacht weefsel.
In dit onderzoek zijn verschillende schuine geometrieën meegenomen.(a) De Lancet-specificatie voldoet aan ISO 7864:201636, waarbij \(\alpha\) de primaire afschuining is, \(\theta\) de rotatiehoek van de secundaire afschuining is, en \(\phi\) de secundaire afschuining is hoek., bij rotatie, in graden (\(^\circ\)).(b) Lineaire asymmetrische enkelvoudige afschuiningen (in DIN 13097:201937 “standaard” genoemd) en (c) Lineaire asymmetrische (omtrek) enkelvoudige afschuiningen.
Onze aanpak begint met het modelleren van de verandering in buiggolflengte langs de afschuining voor conventionele lancet-, asymmetrische en asymmetrische eentraps afgeschuinde geometrieën.Vervolgens hebben we een parametrisch onderzoek berekend om het effect van de leidinghelling en -lengte op de mechanische vloeibaarheid van de overdracht te onderzoeken.Dit is nodig om de optimale lengte te bepalen voor het maken van een prototypenaald.Op basis van de simulatie werden naaldprototypes gemaakt en werd hun resonantiegedrag experimenteel gekarakteriseerd door het meten van de spanningsreflectiecoëfficiënten en het berekenen van de energieoverdrachtsefficiëntie in lucht, water en 10% (w/v) ballistische gelatine, waaruit de werkfrequentie werd bepaald. .Ten slotte wordt hogesnelheidsbeeldvorming gebruikt om direct de afbuiging van de buiggolf aan de punt van de naald in lucht en water te meten, en om het elektrisch vermogen dat bij elke schuine hoek wordt geleverd en de geometrie van de afbuigvermogensverhouding te schatten ( DPR) aan het geïnjecteerde medium..
Zoals weergegeven in figuur 2a, gebruikt u een buis van 21 gauge (0,80 mm buitendiameter, 0,49 mm binnendiameter, buiswanddikte 0,155 mm, standaardwand) om de naaldbuis te definiëren met buislengte (TL) en schuine hoek (BL) in overeenstemming met ISO 9626:201621) in 316 roestvrij staal (Young's modulus 205 \(\text {GN/m}^{2}\), dichtheid 8070 kg/m\(^{3}\) en Poisson's verhouding 0,275).
Bepaling van de buiggolflengte en afstemming van het eindige elementenmodel (FEM) voor naald- en randvoorwaarden.(a) Bepaling van de schuine lengte (BL) en buislengte (TL).(b) Driedimensionaal (3D) eindige-elementenmodel (FEM) met behulp van een harmonische puntkracht \(\tilde{F}_y\vec {j}\) om de naald proximaal aan te drijven, het punt af te buigen en de snelheid te meten op de tip (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) om de overdracht van mechanische vloeibaarheid te berekenen.\(\lambda _y\) wordt gedefinieerd als de buiggolflengte ten opzichte van de verticale kracht \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definities van het zwaartepunt, het dwarsdoorsnedeoppervlak A en de traagheidsmomenten \(I_{xx}\) en \(I_{yy}\) rond respectievelijk de x- en y-as.
Zoals weergegeven in afb.2b,c, voor een oneindige (oneindige) straal met dwarsdoorsnedeoppervlak A en bij een golflengte groter dan de dwarsdoorsnedegrootte van de straal, wordt de gebogen (of gebogen) fasesnelheid \( c_{EI }\) bepaald door 22 :
waarbij E de Young-modulus is (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) de excitatiehoekfrequentie (rad/s) is, waarbij \( f_0 \ ) is de lineaire frequentie (1/s of Hz), I is het traagheidsmoment van het gebied rond de as van belang\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) is de massa op lengte-eenheid (kg/m), waarbij \(\rho _0\) de dichtheid\((\text {kg/m}^{3})\) is en A het kruis is gedeelte van het straalgebied (xy-vlak) (\(\ tekst {m}^{2}\)).Omdat de kracht die in ons voorbeeld wordt uitgeoefend evenwijdig is aan de verticale y-as, dwz \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zijn we alleen geïnteresseerd in het regionale traagheidsmoment rond de horizontale x-as, dat wil zeggen \(I_{xx}\), dus:
Voor het eindige elementenmodel (FEM) wordt uitgegaan van een zuivere harmonische verplaatsing (m), dus de versnelling (\(\text {m/s}^{2}\)) wordt uitgedrukt als \(\partial ^2 \vec { u}/ \ gedeeltelijk t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) als \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) is een driedimensionale verplaatsingsvector gegeven in ruimtelijke coördinaten.In plaats van dit laatste wordt, in overeenstemming met de implementatie ervan in het COMSOL Multiphysics-softwarepakket (versies 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, VS), de Lagrangiaanse vorm van de momentumbalanswet met eindige vervorming als volgt gegeven:
waarbij \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) is de tensordivergentie-operator, \({\underline{\sigma}}\) is de tweede Piola-Kirchhoff spanningstensor (tweede orde, \(\ text { N/ m}^{2}\)) en \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) is de lichaamskrachtvector (\(\text {N/m}^{3}\)) voor elk vervormd volume, en \(e^{j\phi }\) is de fasehoekvector\(\ phi \ ) ( blij).In ons geval is de volumekracht van het lichaam nul, ons model gaat uit van geometrische lineariteit en een kleine, puur elastische vervorming, dwz waarbij \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) en \({\underline {\varepsilon}}\) zijn respectievelijk elastische spanning en totale spanning (tweede orde, dimensieloos).Hooke's constitutieve isotrope elasticiteitstensor \(\underline{\underline{C}}\) wordt berekend met behulp van Young's modulus E (\(\text {N/m}^{2}\)) en Poisson's verhouding v wordt bepaald, dus dat wil zeggen \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (vierde orde).De spanningsberekening wordt dus \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Bij de berekening wordt gebruik gemaakt van een tetraëdrisch element met 10 knooppunten en een elementgrootte \(\le\) van 8 µm.De naald is gemodelleerd in vacuüm en de waarde van de overgedragen mechanische mobiliteit (ms-1 N-1) is gedefinieerd als \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, waarbij \(\tilde{v}_y\vec {j}\) de complexe uitvoersnelheid van het handstuk is en \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) is een complexe aandrijfkracht die zich aan het proximale uiteinde van de buis bevindt, zoals weergegeven in figuur 2b.Vertaal de mechanische vloeibaarheid in decibel (dB) met de maximale waarde als referentie, dwz \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Alle FEM-onderzoeken zijn uitgevoerd met een frequentie van 29,75 kHz.
Het ontwerp van de naald (Fig. 3) bestaat uit een conventionele 21-gauge injectienaald (Cat. nr. 4665643, Sterican\(^\circledR\), buitendiameter 0,8 mm, lengte 120 mm, AISI 304 roestvrij chroom-nikkel staal, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Duitsland) uitgerust met een plastic Luer Lock-huls gemaakt van polypropyleen aan het proximale uiteinde en op passende wijze aangepast aan het uiteinde.De naaldbuis is aan de golfgeleider gesoldeerd zoals weergegeven in figuur 3b.De golfgeleiders werden geprint op een roestvrijstalen 3D-printer (EOS 316L roestvrij staal op een EOS M 290 3D-printer, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) en vervolgens met M4-bouten aan de Langevin-sensor bevestigd.De Langevin-sensor bestaat uit 8 piëzo-elektrische ringelementen die aan beide uiteinden zijn geladen met twee massa's.
De vier soorten tips (foto), een in de handel verkrijgbaar lancet (L) en drie vervaardigde asymmetrische eentraps afschuiningen (AX1-3) werden gekenmerkt door afschuiningslengtes (BL) van respectievelijk 4, 1,2 en 0,5 mm.(a) Close-up van de voltooide naaldpunt.(b) Bovenaanzicht van vier pinnen die aan de 3D-geprinte golfgeleider zijn gesoldeerd en vervolgens met M4-bouten aan de Langevin-sensor zijn verbonden.
Er werden drie asymmetrische schuine punten (Fig. 3) vervaardigd (TAs Machine Tools Oy) met schuine lengtes (BL, zoals gedefinieerd in Fig. 2a) van 4,0, 1,2 en 0,5 mm, overeenkomend met \(\ca.) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) en 18\(^\circ\) respectievelijk.De massa van de golfgeleider en de naald is 3,4 ± 0,017 g (gemiddelde ± sd, n = 4) voor respectievelijk de afschuiningen L en AX1-3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Duitsland) .Voor de L- en AX1-3-afschuiningen in figuur 3b was de totale lengte vanaf de punt van de naald tot het uiteinde van de plastic hoes respectievelijk 13,7, 13,3, 13,3 en 13,3 cm.
Voor alle naaldconfiguraties was de lengte van de punt van de naald tot de punt van de golfgeleider (dat wil zeggen tot het lasgebied) 4,3 cm, en de naaldbuis was met de snede naar boven gericht (dat wil zeggen evenwijdig aan de Y-as). , zoals weergegeven in de afbeelding.c (Afb. 2).
Een aangepast script in MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, VS) dat op een computer draaide (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, VS) werd gebruikt om gedurende 7 seconden een lineaire sinusoïdale sweep van 25 naar 35 kHz te genereren, passeren Een digitaal-naar-analoog (DA) converter (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, VS) converteert naar een analoog signaal.Het analoge signaal \(V_0\) (0,5 Vp-p) werd vervolgens versterkt met een speciale radiofrequentie (RF) versterker (Mariachi Oy, Turku, Finland).De dalende versterkte spanning \({V_I}\) van de RF-versterker met een uitgangsimpedantie van 50 ohm wordt toegevoerd aan een in de naaldstructuur ingebouwde transformator met een ingangsimpedantie van 50 ohm.Langevin-transducers (zware meerlaagse piëzo-elektrische transducers voor en achter) worden gebruikt om mechanische golven te genereren.De op maat gemaakte RF-versterker is uitgerust met een tweekanaals staande golfvermogensfactor (SWR)-meter die de invallende \({V_I}\) en gereflecteerde versterkte spanning\(V_R\) registreert in de analoog-naar-digitaal (AD)-modus.met een sampling rate van 300 kHz Converter (analoge Discovery 2).Het excitatiesignaal wordt aan het begin en aan het einde in amplitude gemoduleerd om overbelasting van de versterkeringang met transiënten te voorkomen.
Met behulp van een aangepast script geïmplementeerd in MATLAB werd de frequentieresponsfunctie (FRF), dat wil zeggen \(\tilde{H}(f)\), offline geschat met behulp van een tweekanaals sinusoïdale sweep-meetmethode (Fig. 4), waarbij wordt aangenomen lineariteit in de tijd.invariant systeem.Daarnaast wordt een 20 tot 40 kHz banddoorlaatfilter toegepast om eventuele ongewenste frequenties uit het signaal te verwijderen.Verwijzend naar de theorie van transmissielijnen: in dit geval is \(\tilde{H}(f)\) equivalent aan de spanningsreflectiecoëfficiënt, dwz \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) neemt af tot \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) is gelijk aan \(|\rho _{V}|^2\).In gevallen waarin absolute elektrische vermogenswaarden vereist zijn, worden het invallende vermogen \(P_I\) en het gereflecteerde vermogen \(P_R\) vermogen (W) berekend door bijvoorbeeld de effectieve waarde (rms) van de overeenkomstige spanning te nemen.voor een transmissielijn met sinusoïdale excitatie \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, waarbij \(Z_0\) gelijk is aan 50 \(\Omega\).Het elektrische vermogen dat wordt geleverd aan de belasting \(P_T\) (dwz het ingevoegde medium) kan worden berekend als \(|P_I – P_R |\) (W RMS), evenals de energieoverdrachtsefficiëntie (PTE) en het percentage ( %) kan worden bepaald hoe de vorm wordt gegeven, dus 27:
De naaldvormige modale frequenties \(f_{1-3}\) (kHz) en hun overeenkomstige vermogensoverdrachtsfactoren \(\text {PTE}_{1{-}3} \) worden vervolgens geschat met behulp van de FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) direct geschat op basis van \(\text {PTE}_{1{-}3}\), uit Tabel 1 Een eenzijdig lineair spectrum wordt verkregen bij de beschreven modale frequentie \(f_{1-3}\).
Meting van de frequentierespons (AFC) van naaldstructuren.Een sinusoïdale tweekanaals sweepmeting wordt gebruikt om de frequentieresponsfunctie \(\tilde{H}(f)\) en de impulsrespons H(t) te verkrijgen.\({\mathcal {F}}\) en \({\mathcal {F}}^{-1}\) vertegenwoordigen respectievelijk de Fourier-transformatie van digitale afkapping en de inverse ervan.\(\tilde{G}(f)\) betekent het product van twee signalen in het frequentiedomein, bijvoorbeeld \(\tilde{G}_{XrX}\) betekent het inverse scanproduct\(\tilde{ X} r (f)\ ) en valspanning \(\tilde{X}(f)\) respectievelijk.
Zoals weergegeven in figuur 5 is de hogesnelheidscamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, VS) uitgerust met een macrolens (MP-E 65 mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokyo, Japan), om tipafbuigingen vast te leggen tijdens buigexcitatie (enkele frequentie, continue sinusoïde) bij frequenties van 27,5-30 kHz.Om een schaduwkaart te creëren werd een gekoeld element van een witte LED met hoge intensiteit (onderdeelnummer: 4052899910881, witte LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Duitsland) achter de punt van de naald geplaatst.
Vooraanzicht van de experimentele opstelling.Diepte wordt gemeten vanaf het oppervlak van het medium.De naaldstructuur wordt vastgeklemd en gemonteerd op een gemotoriseerde transfertafel.Gebruik een hogesnelheidscamera met een lens met sterke vergroting (5\(\x\)) om de schuine hoekafwijking te meten.Alle afmetingen zijn in millimeters.
Voor elk type naaldafschuining hebben we 300 frames opgenomen van een hogesnelheidscamera van 128 \(\x\) 128 pixels, elk met een ruimtelijke resolutie van 1/180 mm (\(\circa) 5 µm), met een temporele resolutie van 310.000 frames per seconde.Zoals weergegeven in Figuur 6 wordt elk frame (1) zo bijgesneden (2) dat de punt van de naald zich in de laatste lijn (onder) van het frame bevindt, en wordt het histogram van de afbeelding (3) berekend, zodat de Canny drempels van 1 en 2 kunnen worden bepaald.Pas vervolgens Canny edge-detectie 28(4) toe met Sobel-operator 3 \(\times\) 3 en bereken posities voor niet-hypotenusa pixels (gelabeld \(\mathbf {\times }\)) zonder cavitatie 300 tijdstappen.Om het bereik van de tipafbuiging te bepalen, berekent u de afgeleide (met behulp van het centrale verschilalgoritme) (6) en bepaalt u het frame (7) dat de lokale uitersten (dat wil zeggen de piek) van de afbuiging bevat.Na een visuele inspectie van de cavitatievrije rand werd een paar frames (of twee frames met een rustinterval) geselecteerd (7) en werd de doorbuiging van de punt gemeten (aangeduid als \(\mathbf {\times } \) ).Het bovenstaande is geïmplementeerd in Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) met behulp van het OpenCV Canny edge-detectiealgoritme (v4.5.1, open source computer vision-bibliotheek, opencv.org).Ten slotte wordt de doorbuigingsvermogensfactor (DPR, µm/W) berekend als de verhouding tussen de piek-tot-piekafbuiging en het overgedragen elektrische vermogen \(P_T\) (Wrms).
Met behulp van een 7-staps algoritme (1-7), inclusief bijsnijden (1-2), Canny edge-detectie (3-4), berekening, meet u de pixelpositie van de tipafbuigrand met behulp van een reeks frames genomen van een hoge resolutie. snelheidscamera op 310 kHz ( 5) en zijn tijdsafgeleide (6), en tenslotte wordt het bereik van de tipafbuiging gemeten op visueel gecontroleerde frameparen (7).
Gemeten in lucht (22,4-22,9°C), gedeïoniseerd water (20,8-21,5°C) en 10% (w/v) waterige ballistische gelatine (19,7-23,0°C), \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Botgelatine van runderen en varkensvlees voor type I ballistische analyse, Honeywell International, North Carolina, VS).De temperatuur werd gemeten met een K-type thermokoppelversterker (AD595, Analog Devices Inc., MA, VS) en een K-type thermokoppel (Fluke 80PK-1 Bead Probe nr. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, VS).Gebruik een verticaal gemotoriseerd Z-asplatform (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litouwen) om de diepte vanaf het mediaoppervlak te meten (ingesteld als de oorsprong van de Z-as) met een resolutie van 5 µm per stap.
Omdat de steekproefomvang klein was (n = 5) en normaliteit niet kon worden aangenomen, werd de tweezijdige Wilcoxon-rangsomtest met twee steekproeven (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) gebruikt. om de hoeveelheid variantie van de naaldpunt voor verschillende schuine randen te vergelijken.Voor elke helling werden drie vergelijkingen gemaakt, dus werd een Bonferroni-correctie toegepast met een aangepast significantieniveau van 0,017 en een foutenpercentage van 5%.
Er wordt verwezen naar figuur 7 hieronder.Bij 29,75 kHz is de gebogen halve golflengte (\(\lambda _y/2\)) van een 21-gauge naald \(\ongeveer) 8 mm.De buiggolflengte neemt af langs de helling naarmate deze de punt nadert.Aan de punt \(\lambda _y/2\) bevinden zich getrapte afschuiningen van respectievelijk 3, 1 en 7 mm voor gewone lancetten (a), asymmetrisch (b) en axiaalsymmetrisch (c).Dit betekent dus dat het lancet \(\ongeveer\) 5 mm zal verschillen (vanwege het feit dat de twee vlakken van het lancet een punt van 29,30 vormen), de asymmetrische helling zal variëren met 7 mm, en de symmetrische helling met 1 mm.Assymmetrische hellingen (het zwaartepunt blijft hetzelfde, dus alleen de wanddikte verandert daadwerkelijk langs de helling).
Toepassing van de FEM-studie op 29,75 kHz en de vergelijking.(1) Bereken de buigende halvegolfverandering (\(\lambda _y/2\)) voor lancet (a), asymmetrische (b) en axisymmetrische (c) schuine geometrie (zoals in figuur 1a,b,c).).De gemiddelde \(\lambda_y/2\) voor de lancet-, asymmetrische en axisymmetrische hellingen is respectievelijk 5,65, 5,17 en 7,52 mm.Houd er rekening mee dat de puntdikte voor asymmetrische en asymmetrische afschuiningen beperkt is tot \(\ca.) 50 µm.
Piekmobiliteit \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) is een combinatie van optimale buislengte (TL) en hellingslengte (BL) (Fig. 8, 9).Voor een conventioneel lancet is de optimale TL \(\circa\) 29,1 mm (fig. 8), omdat de maat vastligt.Voor asymmetrische en axisymmetrische hellingen (respectievelijk figuur 9a, b) omvatte het FEM-onderzoek BL van 1 tot 7 mm, dus de optimale TL-bereiken waren van 26,9 tot 28,7 mm (bereik 1,8 mm) en van 27,9 tot 29,2 mm (bereik 1,3 mm).) ), respectievelijk.Voor asymmetrische hellingen (Fig. 9a) nam de optimale TL lineair toe, bereikte een plateau bij BL 4 mm, en daalde vervolgens scherp van BL 5 naar 7 mm.Voor asymmetrische hellingen (Fig. 9b) neemt de optimale TL lineair toe met BL-rek en stabiliseert uiteindelijk bij BL van 6 tot 7 mm.Een uitgebreide studie van asymmetrische hellingen (figuur 9c) toonde een andere reeks optimale TL's aan die zich op \(\ ongeveer) 35,1–37,1 mm bevonden.Voor alle BL's is de afstand tussen twee sets optimale TL's \(\circa\) 8 mm (equivalent aan \(\lambda _y/2\)).
Lancet-transmissiemobiliteit bij 29,75 kHz.De naaldbuis werd gebogen met een frequentie van 29,75 kHz, de trilling werd aan het uiteinde gemeten en uitgedrukt als de hoeveelheid overgedragen mechanische mobiliteit (dB ten opzichte van de maximale waarde) voor TL 26,5-29,5 mm (stap van 0,1 mm).
Parametrische studies van de FEM bij een frequentie van 29,75 kHz tonen aan dat de overdrachtsmobiliteit van de asymmetrische punt minder wordt beïnvloed door veranderingen in de lengte van de buis dan zijn asymmetrische tegenhanger.Studies naar schuine lengte (BL) en pijplengte (TL) voor asymmetrische (a) en asymmetrische (b, c) schuine geometrieën in frequentiedomeinstudies met behulp van FEM (randvoorwaarden worden weergegeven in figuur 2).(a, b) TL varieerde van 26,5 tot 29,5 mm (stap van 0,1 mm) en BL 1-7 mm (stap van 0,5 mm).(c) Uitgebreide axisymmetrische schuine hoekstudie inclusief TL 25-40 mm (stap van 0,05 mm) en 0,1-7 mm (stap van 0,1 mm), waaruit de gewenste verhouding blijkt: \(\lambda_y/2\) Er is voldaan aan losse bewegende randvoorwaarden voor een tip.
De naaldstructuur heeft drie natuurlijke frequenties \(f_{1-3}\) verdeeld in lage, gemiddelde en hoge modale regio's, zoals weergegeven in Tabel 1. De PTE-grootte wordt weergegeven in Figuur 10 en vervolgens geanalyseerd in Figuur 11. Hieronder staan de resultaten per modaal gebied:
Typische geregistreerde amplitudes van de instantane energieoverdrachtsefficiëntie (PTE) verkregen met behulp van sinusoïdale excitatie met veegfrequentie op een diepte van 20 mm voor een lancet (L) en axiaalsymmetrische hellingen AX1-3 in lucht, water en gelatine.Er wordt een eenzijdig spectrum weergegeven.De gemeten frequentierespons (samplefrequentie van 300 kHz) werd laagdoorlaatgefilterd en vervolgens met een factor 200 gedownsampled voor modale analyse.De signaal-ruisverhouding bedraagt \(\le\) 45 dB.De PTE-fase (paarse stippellijn) wordt weergegeven in graden (\(^{\circ}\)).
De modale responsanalyse wordt weergegeven in Figuur 10 (gemiddelde ± standaardafwijking, n = 5) voor de L- en AX1-3-hellingen in lucht, water en 10% gelatine (20 mm diepte) met (bovenste) drie modale gebieden (laag , gemiddeld hoog).), en hun overeenkomstige modale frequenties\(f_{1-3}\) (kHz), (gemiddelde) energie-efficiëntie\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) gebruikt ontwerpvergelijkingen.(4) en (onder) zijn respectievelijk de volledige breedte bij de helft van de maximaal gemeten waarde \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Merk op dat bij het registreren van een lage PTE, dat wil zeggen in het geval van een AX2-helling, de bandbreedtemeting wordt weggelaten, \(\text {FWHM}_{1}\).De \(f_2\) modus wordt beschouwd als het meest geschikt voor het vergelijken van de afbuiging van hellende vlakken, omdat deze het hoogste niveau van energieoverdrachtsefficiëntie laat zien (\(\text {PTE}_{2}\)), tot 99%.
Eerste modale gebied: \(f_1\) hangt niet veel af van het ingevoegde mediatype, maar hangt af van de geometrie van de schuine kant.\(f_1\) neemt af met afnemende afschuiningslengte (respectievelijk 27,1, 26,2 en 25,9 kHz voor AX1-3 in lucht).De regionale gemiddelden \(\text {PTE}_{1}\) en \(\text {FWHM}_{1}\) zijn respectievelijk \(\circa\) 81% en 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) was de hoogste in gelatine van Lancet (L, 473 Hz).Merk op dat \(\text {FWHM}_{1}\) voor AX2 in gelatine niet kan worden geschat vanwege de lage omvang van de gerapporteerde frequentieresponsen.
Het tweede modale gebied: \(f_2\) hangt af van het type pasta en schuine media.In lucht, water en gelatine zijn de gemiddelde \(f_2\) waarden respectievelijk 29,1, 27,9 en 28,5 kHz.De PTE voor deze modale regio bereikte eveneens 99%, het hoogste van alle meetgroepen, met een regionaal gemiddelde van 84%.Het gebiedsgemiddelde \(\text {FWHM}_{2}\) is \(\circa\) 910 Hz.
Derde modale gebied: \(f_3\) De frequentie is afhankelijk van het type invoegmedium en afschuining.Gemiddelde \(f_3\) waarden zijn respectievelijk 32,0, 31,0 en 31,3 kHz in lucht, water en gelatine.\(\text {PTE}_{3}\) heeft een regionaal gemiddelde van \(\ongeveer\) 74%, het laagste van alle regio's.Het regionale gemiddelde \(\text {FWHM}_{3}\) is \(\circa\) 1085 Hz, wat hoger is dan de eerste en tweede regio.
Het volgende heeft betrekking op afb.12 en Tabel 2. Het lancet (L) week het meest af (met een hoge betekenis voor alle punten, \(p<\) 0,017) in zowel lucht als water (Fig. 12a), waarbij de hoogste DPR werd bereikt (tot 220 µm/ W in lucht). 12 en Tabel 2. Het lancet (L) week het meest af (met een hoge betekenis voor alle punten, \(p<\) 0,017) in zowel lucht als water (Fig. 12a), waarbij de hoogste DPR werd bereikt (tot 220 µm/ W in lucht). Следющеее относится к рисунку 12 и таблице 2. ланцет (l) оaxооонялeuwsy ach бе ш знч знч знч знач знucht значок знач sociale p <\) 0,017) как в воздхе, так и в воде (рис. 12а), достиvr . Het volgende is van toepassing op Figuur 12 en Tabel 2. Lancet (L) week het meest af (met hoge betekenis voor alle tips, \(p<\) 0,017) in zowel lucht als water (Fig. 12a), waardoor de hoogste DPR werd bereikt.(doe 220 μm/W in lucht).Er wordt verwezen naar Figuur 12 en Tabel 2 hieronder.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DPR (空气中高达220 µm/W)。柳叶刀(L) heeft de hoogste doorbuiging in lucht en water (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), en behaalde de hoogste DPR (tot 220 µm/ W in lucht). Ланцет (L) of наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) in воздухе en op (рис. 12а), kan de DPR (op 220 мкм/Вт in воздухе) worden ingesteld. Lancet (L) heeft de grootste afwijking (zeer significant voor alle tips, \(p<\) 0,017) in lucht en water (Fig. 12a) en bereikt de hoogste DPR (tot 220 µm/W in lucht). In de lucht boog AX1, dat een hogere BL had, hoger af dan AX2–3 (met significantie, \(p<\) 0,017), terwijl AX3 (dat de laagste BL had) meer afbuigde dan AX2 met een DPR van 190 µm/W. In de lucht boog AX1, dat een hogere BL had, hoger af dan AX2–3 (met significantie, \(p<\) 0,017), terwijl AX3 (dat de laagste BL had) meer afbuigde dan AX2 met een DPR van 190 µm/W. Als AX1 met BL is, is AX2–3 (met \(p<\) 0,017), en AX3 (с самым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. In de lucht heeft AX1 met hogere BL meer afgebogen dan AX2–3 (met significantie \(p<\) 0,017), terwijl AX3 (met laagste BL) meer afbuigde dan AX2 met DPR 190 µm/W.在空气中，具有较高BL 的AX1 偏转高于AX2-3（具有显着性，(p<\) 0.017），而AX3（具有最低BL）的偏Productbeschrijving AX2, DPR, 190 µm/W. In de lucht is de doorbuiging van AX1 met hogere BL hoger dan die van AX2-3 (significant, \(p<\) 0,017), en de doorbuiging van AX3 (met laagste BL) is hoger dan die van AX2, DPR is 190 µm/W. Als AX1 met BL is, is dit AX2-3 (\(p<\) 0,017), en AX3 ( met een BL) of een ander type, namelijk AX2 en DPR 190 мкм/Вт. In de lucht heeft AX1 met hogere BL een grotere afwijking dan AX2-3 (significant, \(p<\) 0,017), terwijl AX3 (met laagste BL) een grotere afwijking heeft dan AX2 met DPR van 190 μm/W. In water op 20 mm werden geen significante verschillen (\(p>\) 0,017) gevonden in doorbuiging en PTE voor AX1–3. In water op 20 mm werden geen significante verschillen (\(p>\) 0,017) gevonden in doorbuiging en PTE voor AX1–3. Er is een bereik van 20 maanden tussen AX1 en 3 жено. In water op een diepte van 20 mm werden significante verschillen (\(p>\) 0,017) in doorbuiging en FTR gedetecteerd voor AX1–3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 In 20 mm water was er geen significant verschil tussen AX1-3 en PTE (\(p>\) 0,017). На глубине 20 мм прогиб en PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). Op een diepte van 20 mm verschilden de doorbuiging en PTE AX1-3 niet significant (\(p>\) 0,017).De niveaus van PTE in water (90,2-98,4%) waren over het algemeen hoger dan in lucht (56-77,5%) (Fig. 12c), en het fenomeen van cavitatie werd opgemerkt tijdens het experiment in water (Fig. 13, zie ook aanvullende informatie). informatie).
Metingen van de buigamplitude van de punt (gemiddelde ± standaardafwijking, n = 5) voor L- en AX1-3-afschuiningen in lucht en water (diepte 20 mm) onthulden het effect van een veranderende afschuiningsgeometrie.De metingen worden verkregen met behulp van continue sinusoïdale excitatie met een enkele frequentie.(a) Piekafwijking (\(u_y\vec {j}\)) bij het hoekpunt, gemeten bij (b) hun respectieve modale frequenties \(f_2\).(c) Vermogenstransmissie-efficiëntie (PTE, rms, %) als vergelijking.(4) en (d) Afwijkingsvermogensfactor (DPR, µm/W) berekend als piekafwijking en zendvermogen \(P_T\) (Wrms).
Typische schaduwgrafiek van een hogesnelheidscamera die de totale afbuiging van de lancetpunt (groene en rode stippellijnen) van de lancet (L) en asymmetrische punt (AX1-3) in water (diepte 20 mm), halve cyclus, aandrijffrequentie toont \(f_2\) (frequentie 310 kHz bemonstering).Het vastgelegde grijswaardenbeeld heeft afmetingen van 128×128 pixels met een pixelgrootte van \(\ongeveer) 5 µm.Video vindt u bij aanvullende informatie.
Zo hebben we de verandering in de buiggolflengte gemodelleerd (Fig. 7) en de mechanische mobiliteit voor overdracht berekend voor conventionele lancetvormige, asymmetrische en axiale combinaties van buislengte en afschuining (Fig. 8, 9).Symmetrische afgeschuinde geometrie.Op basis van dit laatste schatten we de optimale afstand tussen punt en las op 43 mm (of \(\circa\) 2,75\(\lambda_y\) bij 29,75 kHz), zoals weergegeven in afbeelding 5, en vervaardigden we drie asymmetrische afschuiningen met verschillende schuine lengtes.Vervolgens karakteriseerden we hun frequentieresponsen vergeleken met conventionele lancetten in lucht, water en 10% (w/v) ballistische gelatine (figuren 10, 11) en bepaalden we het beste geval voor het vergelijken van de kantelafbuigingsmodus.Ten slotte hebben we de doorbuiging van de tip gemeten door golven in lucht en water op een diepte van 20 mm te buigen en de energieoverdrachtsefficiëntie (PTE, %) en de afbuigvermogensfactor (DPR, µm/W) van het geïnjecteerde medium voor elke kanteling gekwantificeerd.type (Afb. 12).
De resultaten laten zien dat de kantelas van de geometrie de amplitudeafwijking van de puntas beïnvloedt.Het lancet had de hoogste kromming en ook de hoogste DPR vergeleken met de asymmetrische afschuining, terwijl de asymmetrische afschuining een kleinere gemiddelde afwijking had (Fig. 12). De axiaal-symmetrische afschuining van 4 mm (AX1) met de langste afschuiningslengte bereikte een statistisch significante hoogste doorbuiging in de lucht (\(p <0,017\), tabel 2), in vergelijking met andere axiaal-symmetrische naalden (AX2–3), maar er werden geen significante verschillen waargenomen wanneer de naald in water werd geplaatst. De axiaal-symmetrische afschuining van 4 mm (AX1) met de langste afschuiningslengte bereikte een statistisch significante hoogste doorbuiging in de lucht (\(p <0,017\), tabel 2), in vergelijking met andere axiaal-symmetrische naalden (AX2–3), maar er werden geen significante verschillen waargenomen wanneer de naald in water werd geplaatst. 4 мм (AX1), of een andere manier om dit te doen, is het volgende аибольшего отклонения in воздухе (\(p <0,017\\), таблица 2) сравнению с другими осесимметричными лами (AX2–3). Axiaalsymmetrische afschuining 4 mm (AX1), met de langste afschuiningslengte, bereikte een statistisch significant grotere afwijking in lucht (\(p < 0,017\), tabel 2) vergeleken met andere axiaalsymmetrische naalden (AX2–3).maar er werden geen significante verschillen waargenomen bij het plaatsen van de naald in water.与其他轴对称针(AX2-3) 相比，具有最长斜角长度的轴对称4 mm 斜角(AX1) 在空气中实现了统计上显着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时，没有观察到显着差异。 Vergeleken met andere axiaal symmetrische naalden (AX2-3) heeft hij de langste schuine hoek van 4 mm axiaal symmetrisch (AX1) in de lucht, en heeft hij een statistisch significante maximale doorbuiging bereikt (\(p < 0,017\), tabel 2) , maar toen de naald in water werd geplaatst, werd geen significant verschil waargenomen. Осесимеетричный скос 4 м м (ax1) с наиболшей длиной скоса обесgeчивает статистисески зоеucht мачое макое макое макое макаеаoemen мачое макакое макаеаееeuwеclus мачесoemen маческиеескиеескиеескиеескиеескиеескиеескиеескиеескиеескиеескиеескизескиеескиеесесermen по сравнению с друггими осесимеетричныи и иrust иrust иами (ax2-3) (\ (p <0,017 \), таблица 2), но со сщесchter achн рой рзой раной раной рзой раной рзой раноclus рнщщщщщойeug рной рзой разне рзой рзой раз fil рнцы achн рной разоclus рзцы achцы iplззцы achцы iplззо achцы iplззцы achцы iplззо achцы iplззцыо рой нзо iplззо achцы iplззоооо. De asymmetrische helling met de langste hellingslengte van 4 mm (AX1) zorgde voor een statistisch significante maximale afwijking in de lucht vergeleken met de andere asymmetrische hellingen (AX2-3) (\(p < 0,017\), Tabel 2), maar er was geen Significant verschil.wordt waargenomen wanneer de naald in water wordt geplaatst.Een langere afschuiningslengte heeft dus geen duidelijke voordelen in termen van piekpuntafbuiging.Hiermee rekening houdend blijkt dat de hellingsgeometrie, die in dit onderzoek wordt onderzocht, een grotere invloed heeft op de amplitude-afbuiging dan de hellingslengte.Dit kan bijvoorbeeld te maken hebben met de buigstijfheid, afhankelijk van het materiaal dat wordt gebogen en de totale dikte van de constructienaald.
In experimentele studies wordt de grootte van de gereflecteerde buiggolf beïnvloed door de randvoorwaarden van de punt.Toen de naaldpunt in water en gelatine werd gestoken, bedroeg \(\text {PTE}_{2}\) gemiddeld \(\circa\) 95% en \(\text {PTE}_{2}\) gemiddeld de waarden zijn respectievelijk 73% en 77% (\text {PTE}_{1}\) en \(\text {PTE}_{3}\) (Fig. 11).Dit geeft aan dat de maximale overdracht van akoestische energie naar het gietmedium (bijvoorbeeld water of gelatine) plaatsvindt bij \(f_2\).Vergelijkbaar gedrag werd waargenomen in een eerder onderzoek met eenvoudigere apparaatstructuren bij frequenties van 41-43 kHz, waarbij de auteurs de spanningsreflectiecoëfficiënt demonstreerden die geassocieerd is met de mechanische modulus van het geïntercaleerde medium.De penetratiediepte32 en de mechanische eigenschappen van het weefsel zorgen voor een mechanische belasting van de naald en zullen daarom naar verwachting het resonantiegedrag van de UZeFNAB beïnvloeden.Daarom kunnen resonantie-volgalgoritmen zoals 17, 18, 33 worden gebruikt om de kracht van het geluid dat via de stylus wordt geleverd te optimaliseren.
Modellering van de buiggolflengte (Fig. 7) laat zien dat axiaalsymmetrisch een hogere structurele stijfheid (dwz hogere buigstijfheid) aan de punt heeft dan lancet en asymmetrische afschuining.Afgeleid uit (1) en gebruikmakend van de bekende snelheid-frequentierelatie, schatten we de buigstijfheid van de lancet-, asymmetrische en axisymmetrische punten als hellingen \(\ongeveer) 200, 20 en 1500 MPa, respectievelijk.Dit komt overeen met (\lambda _y\) 5,3, 1,7 en 14,2 mm bij respectievelijk 29,75 kHz (Fig. 7a – c).Gezien de klinische veiligheid van de USeFNAB-procedure moet de invloed van de geometrie op de stijfheid van het schuine ontwerp worden geëvalueerd34.
Het onderzoek van de parameters van de afschuining en de lengte van de buis (Fig. 9) toonde aan dat het optimale TL-bereik voor de asymmetrische (1,8 mm) hoger was dan voor de asymmetrische afschuining (1,3 mm).Bovendien varieert het mobiliteitsplateau van 4 tot 4,5 mm en van 6 tot 7 mm voor respectievelijk asymmetrische en axisymmetrische kanteling (Fig. 9a, b).De praktische relevantie van deze bevinding komt tot uiting in productietoleranties; een lager bereik van optimale TL kan bijvoorbeeld een behoefte aan hogere lengtenauwkeurigheid impliceren.Tegelijkertijd biedt het opbrengstplatform een grotere tolerantie voor de keuze van de hellingslengte bij een bepaalde frequentie zonder de opbrengst significant te beïnvloeden.
Het onderzoek kent de volgende beperkingen.Directe meting van naaldafbuiging met behulp van randdetectie en snelle beeldvorming (Figuur 12) betekent dat we ons beperken tot optisch transparante media zoals lucht en water.We willen er ook op wijzen dat we geen experimenten hebben gebruikt om de gesimuleerde transfermobiliteit te testen en vice versa, maar FEM-onderzoeken hebben gebruikt om de optimale lengte van de vervaardigde naald te bepalen.Vanuit het oogpunt van praktische beperkingen is de lengte van het lancet van punt tot mouw 0,4 cm langer dan andere naalden (AX1-3), zie afb.3b.Dit kan de modale respons van de naaldstructuur hebben beïnvloed.Bovendien kunnen de vorm en het volume van het soldeer van de golfgeleider (zie figuur 3) de mechanische impedantie van het penontwerp beïnvloeden, wat resulteert in fouten in de mechanische impedantie en het buiggedrag.
Ten slotte hebben we experimenteel aangetoond dat de afschuiningsgeometrie de hoeveelheid doorbuiging in USeFNAB beïnvloedt.In situaties waarin een hogere afbuigamplitude een positief effect kan hebben op het effect van de naald op het weefsel, bijvoorbeeld de snijefficiëntie na punctie, kan een conventioneel lancet worden aanbevolen voor USeFNAB, omdat dit de grootste afbuigamplitude biedt en toch voldoende stijfheid behoudt. aan het uiteinde van het ontwerp.Bovendien heeft een recente studie aangetoond dat een grotere tipafbuiging biologische effecten zoals cavitatie kan versterken, wat kan helpen bij het ontwikkelen van toepassingen voor minimaal invasieve chirurgische ingrepen.Gegeven dat is aangetoond dat het verhogen van het totale akoestische vermogen de biopsieopbrengst van USeFNAB13 verhoogt, zijn verdere kwantitatieve onderzoeken naar de monsteropbrengst en -kwaliteit nodig om het gedetailleerde klinische voordeel van de bestudeerde naaldgeometrie te beoordelen.
Frable, WJ Fijne naaldaspiratiebiopsie: een recensie.Hump.Ziek.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Posttijd: 13 oktober 2022