Takk for at du besøker Nature.com.Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Det har nylig blitt påvist at bruk av ultralyd øker vevsutbyttet ved ultralydsassistert finnålsaspirasjon (USeFNAB) sammenlignet med konvensjonell finnålsaspirasjon (FNAB).Til dags dato har ikke forholdet mellom skrågeometri og spissbevegelse blitt grundig studert.I denne studien undersøkte vi egenskapene til nåleresonans og avbøyningsamplitude for forskjellige nålefasgeometrier med forskjellige faslengder.Ved bruk av en konvensjonell 3,9 mm avfaset lansett var spissens defleksjonseffektfaktor (DPR) i luft og vann henholdsvis 220 og 105 µm/W.Dette er høyere enn den aksesymmetriske 4 mm skrå spissen, og gir 180 og 80 µm/W DPR i henholdsvis luft og vann.Denne studien fremhever viktigheten av forholdet mellom bøyningsstivheten til skrågeometrien i sammenheng med ulike innsettingsmåter, og kan derfor gi innsikt i metoder for å kontrollere skjæreaksjonen etter hull ved å endre nålens skrågeometri, noe som er viktig.for en USeFNAB-applikasjon er kritisk.
Finnålsaspirasjonsbiopsi (FNA) er en metode for å ta vevsprøver for mistenkt patologi1,2,3 ved hjelp av en nål.Franseen-spissen har vist seg å gi høyere diagnostisk ytelse enn konvensjonelle lancet4- og Menghini5-spisser.Aksysymmetriske (dvs. periferiske) skråninger er også foreslått for å øke sannsynligheten for histopatologisk adekvate prøver.
Under en biopsi føres en nål gjennom lag med hud og vev for å få tilgang til mistenkelige lesjoner.Nyere studier har vist at ultralyd kan redusere penetrasjonskraften som kreves for å få tilgang til bløtvev7,8,9,10.Nålefasgeometri har vist seg å påvirke nålens interaksjonskrefter, for eksempel har lengre avfasninger vist seg å ha lavere vevpenetrasjonskrefter11.Etter at nålen har penetrert overflaten av vevet, dvs. etter punktering, kan nålens skjærekraft være 75 % av nålens interaksjonskraft med vevet12.Det er vist at i postpunkturfasen øker ultralyd (ultralyd) effektiviteten av diagnostisk bløtdelsbiopsi.Andre ultralydforsterkede benbiopsiteknikker er utviklet for å ta hardvevsprøver, men det er ikke rapportert noen resultater som forbedrer biopsiutbyttet.Tallrike studier har også bekreftet at mekanisk forskyvning øker når den utsettes for ultralydbelastning16,17,18.Mens det er mange studier på aksiale (langsgående) statiske krefter i nål-vev-interaksjoner19,20, er det begrensede studier på den tidsmessige dynamikken og geometrien til nåleavfasing under ultralyd FNAB (USeFNAB).
Målet med denne studien var å undersøke effekten av ulike skrågeometrier på bevegelsen av nålespissen i en nål drevet av ultralydbøyning.Spesielt undersøkte vi effekten av injeksjonsmediet på avbøyning av nålespissen etter punktering for tradisjonelle nåleavfasninger (dvs. USeFNAB-nåler til forskjellige formål som selektiv aspirasjon eller bløtvevsoppsamling.
Ulike skrågeometrier ble inkludert i denne studien.(a) Lancet-spesifikasjonen samsvarer med ISO 7864:201636 der \(\alpha\) er den primære avfasningen, \(\theta\) er rotasjonsvinkelen til den sekundære avfasningen, og \(\phi\) er den sekundære avfasningen. vinkel., når du roterer, i grader (\(^\circ\)).(b) Lineære asymmetriske enkelttrinns faser (kalt "standard" i DIN 13097:201937) og (c) Lineære aksesymmetriske (omkrets) enkelttrinns faser.
Vår tilnærming starter med å modellere endringen i bøyningsbølgelengden langs skråkanten for konvensjonelle lansett-, aksesymmetriske og asymmetriske ett-trinns skrågeometrier.Vi beregnet deretter en parametrisk studie for å undersøke effekten av rørhelling og lengde på den mekaniske fluiditeten til overføringen.Dette er nødvendig for å bestemme den optimale lengden for å lage en prototypenål.Basert på simuleringen ble det laget nåleprototyper og deres resonansoppførsel ble eksperimentelt karakterisert ved å måle spenningsrefleksjonskoeffisientene og beregne kraftoverføringseffektiviteten i luft, vann og 10 % (w/v) ballistisk gelatin, hvorfra driftsfrekvensen ble bestemt. .Til slutt brukes høyhastighetsavbildning til direkte å måle avbøyningen av bøyebølgen på spissen av nålen i luft og vann, samt for å estimere den elektriske kraften som leveres ved hver skrå vinkel og geometrien til avbøyningseffektforholdet ( DPR) til det injiserte mediet..
Som vist i figur 2a, bruk et 21 gauge rør (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, rørveggtykkelse 0,155 mm, standard vegg) for å definere nålerøret med rørlengde (TL) og skråvinkel (BL) i samsvar med ISO 9626:201621) i 316 rustfritt stål (Youngs modul 205 \(\text {GN/m}^{2}\), tetthet 8070 kg/m\(^{3}\) og Poissons forhold 0,275 ).
Bestemmelse av bøyningsbølgelengden og tuning av finite element-modellen (FEM) for nål- og grenseforhold.(a) Bestemmelse av faslengde (BL) og rørlengde (TL).(b) Tredimensjonal (3D) finitt element-modell (FEM) som bruker en harmonisk punktkraft \(\tilde{F}_y\vec {j}\) for å drive nålen proksimalt, avbøye punktet og måle hastigheten ved tips (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) for å beregne overføringen av mekanisk fluiditet.\(\lambda _y\) er definert som bøyningsbølgelengden i forhold til den vertikale kraften \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definisjoner av tyngdepunktet, tverrsnittsarealet A og treghetsmomentene \(I_{xx}\) og \(I_{yy}\) rundt henholdsvis x- og y-aksene.
Som vist i fig.2b,c, for en uendelig (uendelig) stråle med tverrsnittsareal A og med en bølgelengde større enn bjelkens tverrsnittsstørrelse, bestemmes den bøyde (eller bøyde) fasehastigheten \( c_{EI }\) av 22 :
hvor E er Youngs modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) er eksitasjonsvinkelfrekvensen (rad/s), hvor \( f_0 \ ) er den lineære frekvensen (1/s eller Hz), I er treghetsmomentet for området rundt interesseaksen\((\tekst {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) er massen på lengdeenhet (kg/m), der \(\rho _0\) er tettheten\((\tekst {kg/m}^{3})\) og A er krysset del av stråleområdet (xy-plan) (\(\ tekst {m}^{2}\)).Siden kraften som brukes i vårt eksempel er parallell med den vertikale y-aksen, dvs. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), er vi kun interessert i det regionale treghetsmomentet rundt den horisontale x-aksen, dvs. \(I_{xx}\), så:
For den endelige elementmodellen (FEM) antas en ren harmonisk forskyvning (m), slik at akselerasjonen (\(\tekst {m/s}^{2}\)) uttrykkes som \(\partial ^2 \vec { u}/ \ delvis t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) som \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) er en tredimensjonal forskyvningsvektor gitt i romlige koordinater.I stedet for sistnevnte, i samsvar med implementeringen i COMSOL Multiphysics-programvarepakken (versjoner 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), er den endelige deformasjonslagrangiske formen for momentumbalanseloven gitt som følger:
hvor \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) er tensor-divergensoperatoren, \({\underline{\sigma}}\) er den andre Piola-Kirchhoff-spenningstensoren (andre orden, \(\ text { N/ m}^{2}\)) og \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) er kroppskraftvektoren (\(\text {N/m}^{3}\)) for hvert deformert volum, og \(e^{j\phi }\) er fasevinkelvektoren\(\ phi \ ) (glad).I vårt tilfelle er volumkraften til kroppen null, vår modell antar geometrisk linearitet og en liten ren elastisk deformasjon, dvs. hvor \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) og \({\underline) {\varepsilon}}\) er henholdsvis elastisk tøyning og total tøyning (andre orden, dimensjonsløs).Hookes konstitutive isotropiske elastisitetstensor \(\underline{\underline{C}}\) beregnes ved hjelp av Youngs modul E (\(\text {N/m}^{2}\)) og Poissons forhold v bestemmes, dvs. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (fjerde orden).Så spenningsberegningen blir \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Beregningen bruker et 10-noder tetraedrisk element med en elementstørrelse \(\le\) på 8 µm.Nålen er modellert i vakuum, og verdien av den overførte mekaniske mobiliteten (ms-1 N-1) er definert som \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, der \(\tilde{v}_y\vec {j}\) er utgangskomplekshastigheten til håndstykket og \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) er en kompleks drivkraft plassert ved den proksimale enden av røret, som vist i figur 2b.Oversett den mekaniske fluiditeten i desibel (dB) med maksimalverdien som referanse, dvs. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Alle FEM-studier ble utført med en frekvens på 29,75 kHz.
Utformingen av nålen (fig. 3) består av en konvensjonell 21-gauge hypodermisk nål (kat. nr. 4665643, Sterican\(^\circledR\), ytre diameter 0,8 mm, lengde 120 mm, AISI 304 rustfritt krom-nikkel stål , B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Tyskland) utstyrt med en plast Luer Lock-hylse laget av polypropylen i den proksimale enden og passende modifisert i enden.Nålrøret er loddet til bølgelederen som vist i fig. 3b.Bølgelederne ble skrevet ut på en 3D-skriver i rustfritt stål (EOS 316L rustfritt stål på en EOS M 290 3D-skriver, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) og deretter festet til Langevin-sensoren ved hjelp av M4-bolter.Langevin-sensoren består av 8 piezoelektriske ringelementer belastet i begge ender med to masser.
De fire typene spisser (foto), en kommersielt tilgjengelig lansett (L) og tre produserte aksesymmetriske ett-trinns faser (AX1-3) ble karakterisert ved avfasningslengder (BL) på henholdsvis 4, 1,2 og 0,5 mm.(a) Nærbilde av den ferdige nålespissen.(b) Sett ovenfra av fire pinner loddet til den 3D-trykte bølgelederen og deretter koblet til Langevin-sensoren med M4-bolter.
Tre aksesymmetriske skråspisser (fig. 3) ble produsert (TAs Machine Tools Oy) med skrålengder (BL, som definert i fig. 2a) på 4,0, 1,2 og 0,5 mm, tilsvarende \(\ca) 2 \(^ \ circ\), henholdsvis 7\(^\circ\) og 18\(^\circ\).Massen til bølgelederen og nålen er 3,4 ± 0,017 g (gjennomsnitt ± sd, n = 4) for henholdsvis skrå L og AX1-3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Tyskland) .For L- og AX1-3-fasene i figur 3b var den totale lengden fra spissen av nålen til enden av plasthylsen henholdsvis 13,7, 13,3, 13,3 og 13,3 cm.
For alle nålekonfigurasjoner var lengden fra spissen av nålen til spissen av bølgelederen (dvs. til sveiseområdet) 4,3 cm, og nålerøret ble orientert med kuttet oppover (dvs. parallelt med Y-aksen) , som vist på figuren.c (fig. 2).
Et tilpasset skript i MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) som kjører på en datamaskin (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) ble brukt til å generere et lineært sinusformet sveip fra 25 til 35 kHz i 7 sekunder, bestått En digital-til-analog (DA)-omformer (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA) konverterer til et analogt signal.Det analoge signalet \(V_0\) (0,5 Vp-p) ble deretter forsterket med en dedikert radiofrekvens (RF) forsterker (Mariachi Oy, Turku, Finland).Fallende forsterket spenning \({V_I}\) fra RF-forsterkeren med en utgangsimpedans på 50 ohm mates til en transformator innebygd i nålestrukturen med en inngangsimpedans på 50 ohm.Langevin-transdusere (fremre og bakre kraftige flerlags piezoelektriske transdusere) brukes til å generere mekaniske bølger.Den tilpassede RF-forsterkeren er utstyrt med en dual-channel standing wave power factor (SWR) meter som registrerer hendelsen \({V_I}\) og reflektert forsterket spenning\(V_R\) i analog-til-digital (AD)-modus.med en samplingsfrekvens på 300 kHz Converter (analog Discovery 2).Eksitasjonssignalet er amplitudemodulert i begynnelsen og på slutten for å forhindre overbelastning av forsterkerinngangen med transienter.
Ved å bruke et tilpasset skript implementert i MATLAB, ble frekvensresponsfunksjonen (FRF), dvs. \(\tilde{H}(f)\), estimert offline ved bruk av en to-kanals sinusformet sveipmålemetode (fig. 4), som forutsetter linearitet i tid.invariant system.I tillegg brukes et 20 til 40 kHz båndpassfilter for å fjerne eventuelle uønskede frekvenser fra signalet.Med henvisning til teorien om overføringslinjer, i dette tilfellet er \(\tilde{H}(f)\) ekvivalent med spenningsrefleksjonskoeffisienten, dvs. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) reduseres til \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) er lik \(|\rho _{V}|^2\).I tilfeller der absolutte elektriske effektverdier kreves, beregnes innfallseffekt \(P_I\) og reflektert effekt \(P_R\) effekt (W) ved å ta rms-verdien (rms) for den tilsvarende spenningen, for eksempel.for en overføringslinje med sinusformet eksitasjon \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, hvor \(Z_0\) er lik 50 \(\Omega\).Den elektriske effekten som tilføres lasten \(P_T\) (dvs. det innsatte mediet) kan beregnes som \(|P_I – P_R |\) (W RMS), så vel som effektoverføringseffektiviteten (PTE) og prosenten ( %) kan bestemmes hvordan formen er gitt, så 27:
De nåleformede modale frekvensene \(f_{1-3}\) (kHz) og deres tilsvarende effektoverføringsfaktorer \(\text {PTE}_{1{-}3} \) estimeres deretter ved å bruke FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) estimert direkte fra \(\text {PTE}_{1{-}3}\), fra tabell 1 A ensidig lineært spektrum oppnås ved den beskrevne modale frekvensen \(f_{1-3}\).
Måling av frekvensresponsen (AFC) til nålestrukturer.En sinusformet to-kanals sveipmåling25,38 brukes for å oppnå frekvensresponsfunksjonen \(\tilde{H}(f)\) og dens impulsrespons H(t).\({\mathcal {F}}\) og \({\mathcal {F}}^{-1}\) representerer henholdsvis Fourier-transformasjonen av digital trunkering og dens invers.\(\tilde{G}(f)\) betyr produktet av to signaler i frekvensdomenet, f.eks. \(\tilde{G}_{XrX}\) betyr det inverse skanneproduktet\(\tilde{ X} r (f)\ ) og fallspenning henholdsvis \(\tilde{X}(f)\).
Som vist i figur 5 er høyhastighetskameraet (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) utstyrt med et makroobjektiv (MP-E 65mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokyo, Japan), for å registrere spissavbøyninger under bøyningseksitasjon (enkeltfrekvens, kontinuerlig sinusformet) ved frekvenser på 27,5-30 kHz.For å lage et skyggekart ble et avkjølt element av en hvit LED med høy intensitet (delenummer: 4052899910881, hvit LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Tyskland) plassert bak spissen av nålen.
Forfra av forsøksoppsettet.Dybden måles fra overflaten av mediet.Nålestrukturen klemmes og monteres på et motorisert overføringsbord.Bruk et høyhastighetskamera med et objektiv med høy forstørrelse (5\(\x\)) for å måle skråvinkelavvik.Alle dimensjoner er i millimeter.
For hver type nåleavfasning tok vi opp 300 bilder av et høyhastighetskamera som måler 128 \(\x\) 128 piksler, hver med en romlig oppløsning på 1/180 mm (\(\ca.) 5 µm), med en tidsmessig oppløsning på 310 000 bilder per sekund.Som vist i figur 6, er hver ramme (1) beskåret (2) slik at spissen av nålen er i den siste linjen (bunnen) av rammen, og histogrammet til bildet (3) beregnes, slik at Canny terskler på 1 og 2 kan bestemmes.Bruk deretter Canny edge-deteksjon 28(4) med Sobel-operator 3 \(\times\) 3 og beregne posisjoner for ikke-hypotenusapiksler (merket \(\mathbf {\times }\)) uten kavitasjon 300 tidstrinn.For å bestemme rekkevidden for spissavbøyning, beregner den deriverte (ved hjelp av den sentrale differansealgoritmen) (6) og bestemmer rammen (7) som inneholder de lokale ytterpunktene (dvs. toppen) av avbøyningen.Etter en visuell inspeksjon av den kavitasjonsfrie kanten ble et par rammer (eller to rammer med et intervall på halvtid) valgt (7) og nedbøyningen av spissen ble målt (betegnet som \(\mathbf {\times } \) ).Ovennevnte er implementert i Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) ved å bruke OpenCV Canny edge-deteksjonsalgoritmen (v4.5.1, åpen kildekode datasynsbibliotek, opencv.org).Til slutt beregnes avbøyningseffektfaktoren (DPR, µm/W) som forholdet mellom topp-til-topp avbøyningen og den overførte elektriske effekten \(P_T\) (Wrms).
Ved å bruke en 7-trinns algoritme (1-7), inkludert beskjæring (1-2), Canny edge-deteksjon (3-4), beregning, mål pikselposisjonen til spissavbøyningskanten ved hjelp av en serie bilder tatt fra en høy- fotoboks ved 310 kHz ( 5) og dets tidsderiverte (6), og til slutt måles området for spissens avbøyning på visuelt kontrollerte par med rammer (7).
Målt i luft (22,4-22,9°C), avionisert vann (20,8-21,5°C) og 10 % (w/v) vandig ballistisk gelatin (19,7-23,0°C , \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Beingelatin fra storfe og svin for type I ballistisk analyse, Honeywell International, North Carolina, USA).Temperaturen ble målt med en K-type termoelementforsterker (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) og et K-type termoelement (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Bruk et vertikalt motorisert Z-aksetrinn (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litauen) for å måle dybden fra medieoverflaten (angitt som opprinnelsen til Z-aksen) med en oppløsning på 5 µm per trinn.
Siden prøvestørrelsen var liten (n = 5) og normalitet ikke kunne antas, ble den to-utvalgte to-halede Wilcoxon rangsumtesten (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) brukt for å sammenligne mengden varians nålespiss for ulike faser.Det ble gjort tre sammenligninger for hver stigning, så det ble brukt en Bonferroni-korreksjon med et justert signifikansnivå på 0,017 og en feilrate på 5 %.
Det vises til fig. 7 nedenfor.Ved 29,75 kHz er den buede halve bølgelengden (\(\lambda _y/2\)) til en 21-gauge nål \(\omtrent) 8 mm.Bøyebølgelengden avtar langs skråningen når den nærmer seg spissen.På spissen \(\lambda _y/2\) er det avtrappede faser på henholdsvis 3, 1 og 7 mm for vanlige lansetter (a), asymmetrisk (b) og aksesymmetrisk (c).Dermed betyr dette at lansetten vil avvike med \(\ca\) 5 mm (på grunn av at de to planene til lansetten danner et punkt på 29,30), den asymmetriske helningen vil variere med 7 mm, og den symmetriske helningen med 1 mm.Aksysymmetriske skråninger (tyngdepunktet forblir det samme, så bare veggtykkelsen endres faktisk langs skråningen).
Anvendelse av FEM-studien ved 29,75 kHz og ligningen.(1) Beregn bøyningshalvbølgeendringen (\(\lambda _y/2\)) for lansett (a), asymmetrisk (b) og aksesymmetrisk (c) skrågeometri (som i fig. 1a,b,c).).Gjennomsnittlig \(\lambda_y/2\) for lansett-, asymmetriske og aksesymmetriske skråninger er henholdsvis 5,65, 5,17 og 7,52 mm.Merk at spisstykkelse for asymmetriske og aksesymmetriske avfasninger er begrenset til \(\ca) 50 µm.
Toppmobilitet \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) er en kombinasjon av optimal rørlengde (TL) og helningslengde (BL) (fig. 8, 9).For en konvensjonell lansett, siden størrelsen er fast, er den optimale TL \(\ca\) 29,1 mm (fig. 8).For asymmetriske og aksesymmetriske skråninger (henholdsvis fig. 9a, b) inkluderte FEM-studien BL fra 1 til 7 mm, så de optimale TL-områdene var fra 26,9 til 28,7 mm (rekkevidde 1,8 mm) og fra 27,9 til 29,2 mm (rekkevidde) 1,3 mm).) ), henholdsvis.For asymmetriske skråninger (fig. 9a) økte den optimale TL lineært, og nådde et platå ved BL 4 mm, og sank deretter kraftig fra BL 5 til 7 mm.For aksesymmetriske skråninger (fig. 9b) øker den optimale TL lineært med BL-forlengelse og stabiliserer seg til slutt ved BL fra 6 til 7 mm.En utvidet studie av aksesymmetriske skråninger (fig. 9c) viste et annet sett med optimale TL-er lokalisert ved \(\ca.) 35,1–37,1 mm.For alle BL-er er avstanden mellom to sett med optimale TL-er \(\ca\) 8 mm (tilsvarer \(\lambda _y/2\)).
Lancetoverføringsmobilitet ved 29,75 kHz.Nålerøret ble bøyd med en frekvens på 29,75 kHz, vibrasjonen ble målt på slutten og uttrykt som mengden overført mekanisk mobilitet (dB i forhold til maksimalverdien) for TL 26,5-29,5 mm (0,1 mm trinn).
Parametriske studier av FEM ved en frekvens på 29,75 kHz viser at overføringsmobiliteten til den aksesymmetriske spissen er mindre påvirket av endringer i lengden på røret enn dets asymmetriske motstykke.Faslengde (BL) og rørlengde (TL) studier for asymmetriske (a) og aksesymmetriske (b, c) fasingsgeometrier i frekvensdomenestudier ved bruk av FEM (grensebetingelser er vist i figur 2).(a, b) TL varierte fra 26,5 til 29,5 mm (0,1 mm trinn) og BL 1-7 mm (0,5 mm trinn).(c) Utvidet aksesymmetrisk skråvinkelstudie inkludert TL 25-40mm (0.05mm trinn) og 0.1-7mm (0.1mm trinn) som avslører ønsket forhold \(\lambda_y/2\) Løs bevegelige grensebetingelser for en spiss er oppfylt.
Nålestrukturen har tre naturlige frekvenser \(f_{1-3}\) delt inn i lav, middels og høy modal region som vist i tabell 1. PTE-størrelsen er vist i figur 10 og deretter analysert i figur 11. Nedenfor er resultater for hvert modalt område:
Typiske registrerte amplituder for øyeblikkelig kraftoverføringseffektivitet (PTE) oppnådd ved bruk av sinusformet eksitasjon med sveipet frekvens i en dybde på 20 mm for en lansett (L) og aksesymmetriske skråninger AX1-3 i luft, vann og gelatin.Et ensidig spektrum vises.Den målte frekvensresponsen (300 kHz samplingshastighet) ble lavpassfiltrert og deretter nedsamplet med en faktor på 200 for modal analyse.Signal-til-støy-forholdet er \(\le\) 45 dB.PTE-fasen (lilla stiplet linje) vises i grader (\(^{\circ}\)).
Modalresponsanalysen er vist i figur 10 (gjennomsnitt ± standardavvik, n = 5) for L- og AX1-3-bakkene i luft, vann og 10 % gelatin (20 mm dybde) med (øverst) tre modale regioner (lave). , medium høy).), og deres tilsvarende modale frekvenser\(f_{1-3}\) (kHz), (gjennomsnittlig) energieffektivitet\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) bruker designligninger.(4) og (nederst) er den fulle bredden ved henholdsvis halvparten av den maksimalt målte verdien \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Merk at når du registrerer en lav PTE, dvs. i tilfellet med en AX2-helling, utelates båndbreddemålingen, \(\text {FWHM}_{1}\).\(f_2\)-modusen anses å være best egnet for å sammenligne avbøyningen av skråplan, siden den viser det høyeste nivået av kraftoverføringseffektivitet (\(\text {PTE}_{2}\)), opp til 99 %.
Første modale område: \(f_1\) avhenger ikke mye av medietypen som er satt inn, men avhenger av skrågeometrien.\(f_1\) avtar med avtagende skrålengde (henholdsvis 27,1, 26,2 og 25,9 kHz for AX1-3 i luft).De regionale gjennomsnittene \(\text {PTE}_{1}\) og \(\text {FWHM}_{1}\) er henholdsvis \(\approx\) 81 % og 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) var den høyeste i gelatin fra Lancet (L, 473 Hz).Merk at \(\text {FWHM}_{1}\) for AX2 i gelatin ikke kan estimeres på grunn av den lave størrelsen på de rapporterte frekvensresponsene.
Den andre modale regionen: \(f_2\) avhenger av typen lim og skråpapir.I luft, vann og gelatin er gjennomsnittlige \(f_2\)-verdier henholdsvis 29,1, 27,9 og 28,5 kHz.PTE for denne modale regionen nådde også 99 %, den høyeste blant alle målegruppene, med et regionalt gjennomsnitt på 84 %.Områdegjennomsnittet \(\text {FWHM}_{2}\) er \(\approx\) 910 Hz.
Tredje modal region: \(f_3\) Frekvensen avhenger av typen innføringsmedium og skråkant.Gjennomsnittlige \(f_3\) verdier er 32,0, 31,0 og 31,3 kHz i henholdsvis luft, vann og gelatin.\(\text {PTE}_{3}\) har et regionalt gjennomsnitt på \(\ca.\) 74 %, det laveste av noen region.Det regionale gjennomsnittet \(\text {FWHM}_{3}\) er \(\omtrent\) 1085 Hz, som er høyere enn det første og andre området.
Det følgende viser til fig.12 og tabell 2. Lansetten (L) bøyde seg mest ut (med høy signifikans for alle spisser, \(p<\) 0,017) i både luft og vann (fig. 12a), og oppnådde høyeste DPR (opptil 220 µm/ W i luft). 12 og tabell 2. Lansetten (L) bøyde seg mest ut (med høy signifikans for alle spisser, \(p<\) 0,017) i både luft og vann (fig. 12a), og oppnådde høyeste DPR (opptil 220 µm/ W i luft). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего для высокице ов, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Følgende gjelder for figur 12 og tabell 2. Lancet (L) avbøyde seg mest (med høy signifikans for alle tips, \(p<\) 0,017) i både luft og vann (fig. 12a), og oppnådde høyeste DPR.(gjør 220 μm/W i luft).Det vises til figur 12 og tabell 2 nedenfor.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有高度枮意义，\(0，)\(0，)\(0，)最高DPR （空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) har den høyeste avbøyningen i luft og vann (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), og oppnådde den høyeste DPR (opptil µm/20) W i luft). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) воздивос амого высокого DPR (til 220 мкм/Вт в воздухе). Lansett (L) har det største avviket (svært signifikant for alle spisser, \(p<\) 0,017) i luft og vann (fig. 12a), og når den høyeste DPR (opp til 220 µm/W i luft). I luft avbøyde AX1 som hadde høyere BL, høyere enn AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), mens AX3 (som hadde laveste BL) avbøyde mer enn AX2 med en DPR på 190 µm/W. I luft avbøyde AX1 som hadde høyere BL, høyere enn AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), mens AX3 (som hadde laveste BL) avbøyde mer enn AX2 med en DPR på 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), мскаы кон онялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft avbøyde AX1 med høyere BL høyere enn AX2–3 (med signifikans \(p<\) 0,017), mens AX3 (med lavest BL) avbøyde mer enn AX2 med 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），转高于AX2-3（具有显着性，\(p<\) 0,017），转倅转大于AX2，DPR 为190 µm/W. I luft er nedbøyningen av AX1 med høyere BL høyere enn for AX2-3 (signifikant \(p<\) 0,017), og avbøyningen til AX3 (med lavest BL) er høyere enn for AX2, DPR er 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017 макима (мкасим ки ет большее отклонение, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft har AX1 med høyere BL større avvik enn AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), mens AX3 (med lavest BL) har større avvik enn AX2 med DPR på 190 μm/W. I vann ved 20 mm ble det ikke funnet signifikante forskjeller (\(p>\) 0,017) i nedbøyning og PTE for AX1–3. I vann ved 20 mm ble det ikke funnet signifikante forskjeller (\(p>\) 0,017) i nedbøyning og PTE for AX1–3. В воде на глубине 20 мм достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ФТР для AX1–3 не обнаружено. I vann på 20 mm dyp ble det påvist signifikante forskjeller (\(p>\) 0,017) i nedbøyning og FTR for AX1–3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 I 20 mm vann var det ingen signifikant forskjell mellom AX1-3 og PTE (\(p>\) 0,017). For 20 mm frekvens og PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). Ved en dybde på 20 mm skilte defleksjonen og PTE AX1-3 seg ikke signifikant (\(p>\) 0,017).Nivåene av PTE i vann (90,2–98,4 %) var generelt høyere enn i luft (56–77,5 %) (fig. 12c), og fenomenet kavitasjon ble notert under forsøket i vann (fig. 13, se også tillegg). informasjon).
Spissens bøyningsamplitudemålinger (gjennomsnitt ± standardavvik, n = 5) for L og AX1-3 faser i luft og vann (dybde 20 mm) avslørte effekten av å endre fasgeometri.Målingene oppnås ved bruk av kontinuerlig sinusformet eksitasjon med enkelt frekvens.(a) Toppavvik (\(u_y\vec {j}\)) ved toppunktet, målt ved (b) deres respektive modale frekvenser \(f_2\).(c) Effektoverføringseffektivitet (PTE, rms, %) som en ligning.(4) og (d) Avvikseffektfaktor (DPR, µm/W) beregnet som toppavvik og sendeeffekt \(P_T\) (Wrms).
Typisk skyggeplott av et høyhastighetskamera som viser den totale avbøyningen av lansettspissen (grønne og røde stiplede linjer) til lansetten (L) og den aksesymmetriske spissen (AX1-3) i vann (dybde 20 mm), halvsyklus, kjørefrekvens \(f_2\) (frekvens 310 kHz sampling).Det fangede gråtonebildet har dimensjoner på 128×128 piksler med en pikselstørrelse på \(\omtrent) 5 µm.Video finner du i tilleggsinformasjon.
Dermed modellerte vi endringen i bøyningsbølgelengde (fig. 7) og beregnet den mekaniske mobiliteten for overføring for konvensjonelle lansettformede, asymmetriske og aksiale kombinasjoner av rørlengde og fas (fig. 8, 9).Symmetrisk avfaset geometri.Basert på sistnevnte estimerte vi den optimale spiss-til-sveiseavstanden til å være 43 mm (eller \(\approx\) 2,75\(\lambda_y\) ved 29,75 kHz) som vist i figur 5, og laget tre aksesymmetriske avfasninger med forskjellige skrålengder.Vi karakteriserte deretter frekvensresponsene deres sammenlignet med konvensjonelle lansetter i luft, vann og 10 % (vekt/volum) ballistisk gelatin (figur 10, 11) og bestemte det beste tilfellet for å sammenligne tiltavbøyningsmodus.Til slutt målte vi spissavbøyning ved å bøye bølge i luft og vann i en dybde på 20 mm og kvantifiserte kraftoverføringseffektiviteten (PTE, %) og avbøyningseffektfaktoren (DPR, µm/W) til det injiserte mediet for hver tilt.type (fig. 12).
Resultatene viser at tilt-aksen til geometrien påvirker amplitudeavviket til spiss-aksen.Lansetten hadde den høyeste krumningen og også den høyeste DPR sammenlignet med den aksesymmetriske avfasningen, mens den aksesymmetriske skråkanten hadde et mindre gjennomsnittlig avvik (fig. 12). Den aksesymmetriske 4 mm skråkanten (AX1) som har den lengste skrålengden, oppnådde statistisk signifikant høyeste avbøyning i luft (\(p < 0,017\), tabell 2), sammenlignet med andre aksesymmetriske nåler (AX2–3), men ingen signifikante forskjeller ble observert når nålen ble plassert i vann. Den aksesymmetriske 4 mm skråkanten (AX1) som har den lengste skrålengden, oppnådde statistisk signifikant høyeste avbøyning i luft (\(p < 0,017\), tabell 2), sammenlignet med andre aksesymmetriske nåler (AX2–3), men ingen signifikante forskjeller ble observert når nålen ble plassert i vann. Осесимметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статистически значимого наивегольш p <0,017\), таблица 2) по сравнению с другими осесимметричными иглами (AX2–3). Aksysymmetrisk avfasning 4 mm (AX1), med den lengste skrålengden, oppnådde et statistisk signifikant større avvik i luft (\(p < 0,017\), tabell 2) sammenlignet med andre aksesymmetriske nåler (AX2–3).men signifikante forskjeller ble ikke observert når nålen ble plassert i vann.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) 在縰庰着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时，没有观察到显着差异。 Sammenlignet med andre aksialt symmetriske nåler (AX2-3) har den den lengste skråvinkelen på 4 mm aksialsymmetrisk (AX1) i luften, og den har oppnådd statistisk signifikant maksimal nedbøyning (\(p < 0,017\), tabell 2) , men når nålen ble plassert i vann, ble ingen signifikant forskjell observert. Осесимметричный скос 4 мм (AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает статистически значимое максимальноз равнению с другими осесимметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), но существенной разницы. Den aksesymmetriske skråningen med lengste skråningslengde på 4 mm (AX1) ga et statistisk signifikant maksimalt avvik i luft sammenlignet med de andre aksesymmetriske skråningene (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabell 2), men det var ingen signifikant forskjell.observeres når nålen settes i vann.En lengre skrålengde har således ingen åpenbare fordeler med hensyn til toppavbøyning.Tar man dette i betraktning, viser det seg at helningsgeometrien, som er undersøkt i denne studien, har større innflytelse på amplitudeavbøyningen enn helningslengden.Dette kan være relatert til bøyestivhet, for eksempel, avhengig av materialet som bøyes og den totale tykkelsen på konstruksjonsnålen.
I eksperimentelle studier påvirkes størrelsen på den reflekterte bøyebølgen av grenseforholdene til spissen.Når nålespissen ble satt inn i vann og gelatin, var \(\text {PTE}_{2}\) gjennomsnittlig \(\approx\) 95 % og \(\text {PTE}_{2}\) gjennomsnitt av verdiene er henholdsvis 73 % og 77 % (\text {PTE}_{1}\) og \(\text {PTE}_{3}\) (fig. 11).Dette indikerer at maksimal overføring av akustisk energi til støpemediet (for eksempel vann eller gelatin) skjer ved \(f_2\).Lignende oppførsel ble observert i en tidligere studie ved bruk av enklere enhetsstrukturer ved frekvenser på 41-43 kHz, der forfatterne demonstrerte spenningsrefleksjonskoeffisienten assosiert med den mekaniske modulen til det interkalerte mediet.Penetrasjonsdybden32 og de mekaniske egenskapene til vevet gir en mekanisk belastning på nålen og forventes derfor å påvirke resonansoppførselen til UZeFNAB.Derfor kan resonanssporingsalgoritmer som 17, 18, 33 brukes til å optimere kraften til lyden som leveres gjennom pennen.
Bøyebølgelengdemodellering (fig. 7) viser at aksesymmetrisk har høyere strukturell stivhet (dvs. høyere bøyestivhet) ved spissen enn lansett og asymmetrisk fas.Utledet fra (1) og ved å bruke det kjente hastighet-frekvensforholdet, estimerer vi bøyestivheten til lansetten, asymmetriske og aksesymmetriske spisser som skråninger \(\omtrent) henholdsvis 200, 20 og 1500 MPa.Dette tilsvarer (\lambda _y\) henholdsvis 5,3, 1,7 og 14,2 mm ved 29,75 kHz (fig. 7a–c).Tatt i betraktning den kliniske sikkerheten til USeFNAB-prosedyren, må påvirkningen av geometri på stivheten til skrådesignet evalueres34.
Studiet av parametrene til skråkanten og lengden på røret (fig. 9) viste at det optimale TL-området for den asymmetriske (1,8 mm) var høyere enn for den aksesymmetriske avfasningen (1,3 mm).I tillegg varierer mobilitetsplatået fra 4 til 4,5 mm og fra 6 til 7 mm for henholdsvis asymmetrisk og aksesymmetrisk tilt (fig. 9a, b).Den praktiske relevansen av dette funnet kommer til uttrykk i produksjonstoleranser, for eksempel kan et lavere område for optimal TL innebære et behov for høyere lengdenøyaktighet.Samtidig gir yield-plattformen en større toleranse for valg av bakkelengde ved en gitt frekvens uten å påvirke yielden nevneverdig.
Studien inkluderer følgende begrensninger.Direkte måling av nåleavbøyning ved bruk av kantdeteksjon og høyhastighetsavbildning (Figur 12) betyr at vi er begrenset til optisk transparente medier som luft og vann.Vi vil også påpeke at vi ikke brukte eksperimenter for å teste den simulerte overføringsmobiliteten og omvendt, men brukte FEM-studier for å bestemme den optimale lengden på den produserte nålen.Ut fra praktiske begrensninger er lansettens lengde fra spiss til hylse 0,4 cm lengre enn andre nåler (AX1-3), se fig.3b.Dette kan ha påvirket den modale responsen til den nåleformede strukturen.I tillegg kan formen og volumet til bølgelederloddet (se figur 3) påvirke den mekaniske impedansen til stiftdesignet, noe som resulterer i feil i mekanisk impedans og bøyeoppførsel.
Til slutt har vi eksperimentelt demonstrert at skrågeometrien påvirker mengden avbøyning i USeFNAB.I situasjoner der en høyere defleksjonsamplitude kan ha en positiv effekt på effekten av nålen på vevet, for eksempel kutteeffektivitet etter punktering, kan en konvensjonell lansett anbefales for USeFNAB, siden den gir størst avbøyningsamplitude samtidig som den opprettholder tilstrekkelig stivhet på spissen av designet.I tillegg har en nylig studie vist at større spissavbøyning kan forsterke biologiske effekter som kavitasjon, noe som kan bidra til å utvikle applikasjoner for minimalt invasive kirurgiske inngrep.Gitt at økende total akustisk kraft har vist seg å øke biopsiutbyttet fra USeFNAB13, er ytterligere kvantitative studier av prøveutbytte og kvalitet nødvendig for å vurdere den detaljerte kliniske fordelen med den studerte nålgeometrien.
Frable, WJ Finnålsaspirasjonsbiopsi: en gjennomgang.Humph.Syk.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Innleggstid: 13. oktober 2022