Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Wersja przeglądarki, której używasz, obsługuje ograniczoną obsługę CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).W międzyczasie, aby zapewnić ciągłość wsparcia, będziemy renderować witrynę bez stylów i JavaScript.
Niedawno wykazano, że zastosowanie ultradźwięków zwiększa uzysk tkanki w aspiracji cienkoigłowej wspomaganej ultradźwiękami (USEFNAB) w porównaniu z konwencjonalną aspiracją cienkoigłową (FNAB).Do chwili obecnej związek pomiędzy geometrią skosu a ruchem końcówki nie został dokładnie zbadany.W tym badaniu zbadaliśmy właściwości rezonansu igły i amplitudy ugięcia dla różnych geometrii skosu igły o różnej długości skosu.Przy zastosowaniu konwencjonalnego skośnego lancetu o średnicy 3,9 mm współczynnik mocy ugięcia końcówki (DPR) w powietrzu i wodzie wynosił odpowiednio 220 i 105 µm/W.Jest to wartość wyższa niż w przypadku osiowo-symetrycznej, ściętej końcówki o średnicy 4 mm, która zapewnia odpowiednio 180 i 80 µm/W DPR w powietrzu i wodzie.Badanie to podkreśla znaczenie zależności pomiędzy sztywnością zginania geometrii skosu w kontekście różnych sposobów wprowadzania, a zatem może zapewnić wgląd w metody kontrolowania działania cięcia po przekłuciu poprzez zmianę geometrii skosu igły, co jest ważne.dla aplikacji USeFNAB ma kluczowe znaczenie.
Biopsja aspiracyjna cienkoigłowa (FNA) to metoda pobierania próbek tkanek pod kątem podejrzeń patologii1,2,3 za pomocą igły.Wykazano, że końcówka Franseena zapewnia wyższą wydajność diagnostyczną niż konwencjonalne końcówki lancetowe4 i Menghini5.Sugeruje się również, że nachylenie osiowosymetryczne (tj. obwodowe) zwiększa prawdopodobieństwo uzyskania próbek odpowiednich histopatologicznie.
Podczas biopsji igła przechodzi przez warstwy skóry i tkanki, aby uzyskać dostęp do podejrzanych zmian.Ostatnie badania wykazały, że ultradźwięki mogą zmniejszyć siłę penetracji niezbędną do uzyskania dostępu do tkanek miękkich7,8,9,10.Wykazano, że geometria skosu igły wpływa na siły interakcji igły, na przykład wykazano, że dłuższe skosy powodują mniejsze siły penetracji tkanki11.Po wniknięciu igły w powierzchnię tkanki, czyli po nakłuciu, siła tnąca igły może wynosić 75% siły oddziaływania igły z tkanką12.Wykazano, że w fazie ponakłuciowej zastosowanie ultradźwięków (ultradźwięków) zwiększa skuteczność diagnostycznej biopsji tkanek miękkich.Opracowano inne techniki biopsji kości wzmocnionej ultradźwiękami do pobierania próbek tkanek twardych, ale nie zgłoszono żadnych wyników poprawiających wydajność biopsji.Liczne badania potwierdziły również, że przemieszczenie mechaniczne wzrasta pod wpływem naprężeń ultradźwiękowych16,17,18.Chociaż istnieje wiele badań dotyczących osiowych (podłużnych) sił statycznych w interakcjach igła-tkanka19,20, istnieją ograniczone badania dotyczące dynamiki czasowej i geometrii skosu igły pod ultradźwiękową FNAB (USeFNAB).
Celem pracy było zbadanie wpływu różnej geometrii skosu na ruch końcówki igły w igle napędzanej za pomocą zginania ultradźwiękowego.W szczególności zbadaliśmy wpływ medium do iniekcji na ugięcie końcówki igły po nakłuciu w przypadku tradycyjnych skosów igieł (tj. igieł USeFNAB do różnych celów, takich jak selektywna aspiracja lub pozyskiwanie tkanek miękkich).
W badaniu uwzględniono różne geometrie skosów.(a) Specyfikacja Lancetu jest zgodna z normą ISO 7864:201636, gdzie \(\alpha\) to skos główny, \(\theta\) to kąt obrotu skosu wtórnego, a \(\phi\) to skos wtórny kąt., podczas obracania, w stopniach (\(^\circ\)).(b) Liniowe, asymetryczne, jednostopniowe fazowania (zwane „standardem” w normie DIN 13097:201937) oraz (c) Liniowe, asymetryczne (obwodowe) fazowania, jednostopniowe.
Nasze podejście rozpoczyna się od modelowania zmiany długości fali zgięcia wzdłuż skosu dla konwencjonalnej geometrii skosu lancetowego, osiowosymetrycznego i asymetrycznego.Następnie obliczyliśmy badanie parametryczne, aby sprawdzić wpływ nachylenia i długości rury na mechaniczną płynność przesyłu.Jest to konieczne do określenia optymalnej długości do wykonania prototypowej igły.Na podstawie symulacji wykonano prototypy igieł i scharakteryzowano eksperymentalnie ich zachowanie rezonansowe poprzez pomiar współczynników odbicia napięcia oraz obliczenie efektywności przenoszenia mocy w powietrzu, wodzie i 10% (w/v) żelatynie balistycznej, z czego wyznaczono częstotliwość roboczą .Wreszcie, szybkie obrazowanie służy do bezpośredniego pomiaru odchylenia fali zginającej na końcu igły w powietrzu i wodzie, a także do oszacowania mocy elektrycznej dostarczanej pod każdym kątem skośnym oraz geometrii współczynnika mocy odchylenia ( DPR) do wstrzykiwanego medium..
Jak pokazano na rysunku 2a, użyj rurki o średnicy 21 mm (0,80 mm średnicy zewnętrznej, 0,49 mm średnicy wewnętrznej, grubości ścianki rurki 0,155 mm, standardowej ściance), aby zdefiniować rurkę igłową za pomocą długości rurki (TL) i kąta skosu (BL) zgodnie z normą ISO 9626:201621) ze stali nierdzewnej 316 (moduł Younga 205 \(\text {GN/m}^{2}\), gęstość 8070 kg/m\(^{3}\) i współczynnik Poissona 0,275 ).
Wyznaczanie długości fali zginania i dostrajanie modelu elementów skończonych (MES) dla warunków igłowych i brzegowych.(a) Określenie długości skosu (BL) i długości rury (TL).(b) Trójwymiarowy (3D) model elementów skończonych (FEM) wykorzystujący harmoniczną siłę punktową \(\tilde{F}_y\vec {j}\) do napędzania igły w proksymalnym położeniu, odchylania punktu i pomiaru prędkości w wskazówka (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) do obliczenia przenoszenia płynności mechanicznej.\(\lambda _y\) definiuje się jako długość fali zginania w stosunku do siły pionowej \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definicje środka ciężkości, pola przekroju poprzecznego A i momentów bezwładności \(I_{xx}\) i \(I_{yy}\) odpowiednio wokół osi x i y.
Jak pokazano na ryc.2b,c, dla nieskończonej (nieskończonej) wiązki o polu przekroju poprzecznego A i przy długości fali większej niż rozmiar przekroju poprzecznego wiązki, prędkość fazy zagiętej (lub zagiętej) \( c_{EI }\) jest określona przez 22 :
gdzie E to moduł Younga (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) to częstotliwość kątowa wzbudzenia (rad/s), gdzie \( f_0 \ ) to częstotliwość liniowa (1/s lub Hz), I to moment bezwładności obszaru wokół interesującej osi\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) to masa na jednostkę długości (kg/m), gdzie \(\rho _0\) to gęstość\((\text {kg/m}^{3})\) i A to krzyż przekrój obszaru belki (płaszczyzna xy) (\(\ tekst {m}^{2}\)).Ponieważ siła zastosowana w naszym przykładzie jest równoległa do pionowej osi y, tj. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), interesuje nas tylko regionalny moment bezwładności wokół poziomej osi x, tj. \(I_{xx}\), więc:
W modelu elementów skończonych (FEM) zakłada się przemieszczenie czystej harmonicznej (m), więc przyspieszenie (\(\text {m/s}^{2}\)) wyraża się jako \(\partial ^2 \vec { u}/ \ częściowy t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) as \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) jest trójwymiarowym wektorem przemieszczenia podanym we współrzędnych przestrzennych.Zamiast tego ostatniego, zgodnie z jego implementacją w pakiecie oprogramowania COMSOL Multiphysics (wersje 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), postać Lagrangianu skończonej deformacji prawa równowagi pędu jest podawana w sposób następujący:
gdzie \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) jest operatorem rozbieżności tensora, \({\underline{\sigma}}\) jest drugim tensorem naprężenia Pioli-Kirchhoffa (drugiego rzędu, \(\ tekst { N/ m}^{2}\)) i \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) jest wektorem siły ciała (\(\text {N/m}^{3}\)) dla każdej odkształconej objętości, a \(e^{j\phi }\) jest wektorem kąta fazowego\(\ phi \ ) ( zadowolony).W naszym przypadku siła objętościowa ciała wynosi zero, nasz model zakłada liniowość geometryczną i małe odkształcenie czysto sprężyste, czyli , gdzie \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) i \({\underline {\varepsilon}}\) to odpowiednio odkształcenie sprężyste i odkształcenie całkowite (drugiego rzędu, bezwymiarowe).Konstytutywny izotropowy tensor sprężystości Hooke'a \(\underline{\underline{C}}\) jest obliczany przy użyciu modułu Younga E (\(\text {N/m}^{2}\)) i wyznaczany jest współczynnik Poissona v, tj. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (czwarty rząd).Zatem obliczenie naprężenia wygląda następująco: \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
W obliczeniach wykorzystano 10-węzłowy element czworościenny o rozmiarze elementu \(\le\) wynoszącym 8 µm.Igłę modeluje się w próżni, a wartość przenoszonej ruchliwości mechanicznej (ms-1 N-1) definiuje się jako \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tylda{F}_y\vec {j}|\)24, gdzie \(\tilde{v}_y\vec {j}\) jest wyjściową zespoloną prędkością rękojeści, a \( \ tylda {F}_y\ vec {j }\) to złożona siła napędowa zlokalizowana na bliższym końcu rurki, jak pokazano na rysunku 2b.Przelicz płynność mechaniczną na decybele (dB), używając wartości maksymalnej jako odniesienia, tj. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Wszystkie badania MES przeprowadzono przy częstotliwości 29,75 kHz.
Konstrukcja igły (ryc. 3) składa się z konwencjonalnej igły podskórnej o rozmiarze 21 G (nr kat. 4665643, Sterican\(^\circledR\), średnica zewnętrzna 0,8 mm, długość 120 mm, stal nierdzewna AISI 304 chromowo-niklowa stal , B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Niemcy) wyposażoną w plastikową tuleję Luer Lock wykonaną z polipropylenu na końcu bliższym i odpowiednio zmodyfikowaną na końcu.Rurka igłowa jest przylutowana do falowodu, jak pokazano na rys. 3b.Falowody wydrukowano na drukarce 3D ze stali nierdzewnej (stal nierdzewna EOS 316L na drukarce 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia), a następnie przymocowano do czujnika Langevina za pomocą śrub M4.Czujnik Langevina składa się z 8 piezoelektrycznych elementów pierścieniowych obciążonych na obu końcach dwoma masami.
Cztery typy końcówek (zdjęcie), dostępny w handlu lancet (L) i trzy wyprodukowane osiowo-symetryczne jednostopniowe skosy (AX1-3) charakteryzowały się długością skosu (BL) wynoszącą odpowiednio 4, 1,2 i 0,5 mm.(a) Zbliżenie gotowej końcówki igły.(b) Widok z góry czterech pinów przylutowanych do falowodu wydrukowanego w 3D, a następnie podłączonych do czujnika Langevina za pomocą śrub M4.
Wyprodukowano trzy osiowo-symetryczne końcówki ukośne (ryc. 3) (TAs Machine Tools Oy) o długościach skosów (BL, jak zdefiniowano na ryc. 2a) 4,0, 1,2 i 0,5 mm, co odpowiada \(\około) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) i 18\(^\circ\).Masa falowodu i igły wynosi 3,4 ± 0,017 g (średnia ± sd, n = 4) odpowiednio dla skosów L i AX1-3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Niemcy) .Dla skosów L i AX1-3 na rysunku 3b całkowita długość od czubka igły do końca plastikowej tulei wynosiła odpowiednio 13,7, 13,3, 13,3 i 13,3 cm.
Dla wszystkich konfiguracji igieł długość od czubka igły do czubka falowodu (tj. do obszaru zgrzeiny) wynosiła 4,3 cm, a rurka igłowa była zorientowana nacięciem do góry (tj. równolegle do osi Y). , jak pokazano na rysunku.c (ryc. 2).
Do wygenerowania liniowego przemiatania sinusoidalnego od 25 do 35 kHz przez 7 sekund wykorzystano niestandardowy skrypt w programie MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) działający na komputerze (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA), przekazywanie Przetwornik cyfrowo-analogowy (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Waszyngton, USA) przetwarza sygnał analogowy.Sygnał analogowy \(V_0\) (0,5 Vp-p) został następnie wzmocniony za pomocą dedykowanego wzmacniacza częstotliwości radiowej (RF) (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).Spadające wzmocnione napięcie \({V_I}\) ze wzmacniacza RF o impedancji wyjściowej 50 omów jest podawane do transformatora wbudowanego w strukturę igły o impedancji wejściowej 50 omów.Przetworniki Langevina (przednie i tylne wielowarstwowe przetworniki piezoelektryczne o dużej wytrzymałości) służą do generowania fal mechanicznych.Niestandardowy wzmacniacz RF jest wyposażony w dwukanałowy miernik współczynnika mocy fali stojącej (SWR), który rejestruje padające \({V_I}\) i odbite wzmocnione napięcie\(V_R\) w trybie analogowo-cyfrowym (AD).z częstotliwością próbkowania 300 kHz. Konwerter (analogowy Discovery 2).Sygnał wzbudzenia jest modulowany amplitudowo na początku i na końcu, aby zapobiec przeciążeniu wejścia wzmacniacza stanami przejściowymi.
Wykorzystując niestandardowy skrypt zaimplementowany w programie MATLAB, oszacowano funkcję odpowiedzi częstotliwościowej (FRF), tj. \(\tilde{H}(f)\), w trybie offline, stosując dwukanałową metodę pomiaru przemiatania sinusoidalnego (rys. 4), która zakłada liniowość w czasie.system niezmienny.Dodatkowo zastosowano filtr pasmowo-przepustowy od 20 do 40 kHz, który usuwa z sygnału wszelkie niepożądane częstotliwości.Nawiązując do teorii linii przesyłowych, w tym przypadku \(\tilde{H}(f)\) jest równoważne współczynnikowi odbicia napięcia, czyli \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) maleje do \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) równa się \(|\rho _{V}|^2\).W przypadkach, gdy wymagane są bezwzględne wartości mocy elektrycznej, moc padająca \(P_I\) i moc odbita \(P_R\) moc (W) są obliczane na przykład poprzez przyjęcie wartości skutecznej (rms) odpowiedniego napięcia.dla linii przesyłowej o wzbudzeniu sinusoidalnym \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, gdzie \(Z_0\) jest równe 50 \(\Omega\).Moc elektryczną dostarczoną do obciążenia \(P_T\) (tj. wprowadzonego medium) można obliczyć jako \(|P_I – P_R |\) (W RMS), a także sprawność przenoszenia mocy (PTE) i procent ( %) można określić w jaki sposób nadawany jest kształt, więc 27:
Następnie szacuje się igiełkowe częstotliwości modalne \(f_{1-3}\) (kHz) i odpowiadające im współczynniki przenoszenia mocy \(\text {PTE}_{1{-}3} \) przy użyciu FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) oszacowane bezpośrednio z \(\text {PTE}_{1{-}3}\), z tabeli 1 A jednostronne widmo liniowe uzyskuje się przy opisanej częstotliwości modalnej \(f_{1-3}\).
Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej (AFC) struktur igłowych.Sinusoidalny dwukanałowy pomiar przemiatania25,38 wykorzystuje się do uzyskania funkcji odpowiedzi częstotliwościowej \(\tylda{H}(f)\) i jej odpowiedzi impulsowej H(t).\({\mathcal {F}}\) i \({\mathcal {F}}^{-1}\) reprezentują odpowiednio transformatę Fouriera cyfrowego obcięcia i jego odwrotność.\(\tylda{G}(f)\) oznacza iloczyn dwóch sygnałów w dziedzinie częstotliwości, np. \(\tylda{G}_{XrX}\) oznacza iloczyn odwrotnego skanowania\(\tylda{ X} r (f)\ ) i spadek napięcia odpowiednio \(\tilde{X}(f)\).
Jak pokazano na rysunku 5, szybka kamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) jest wyposażona w obiektyw makro (MP-E 65mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokio, Japonia), aby zarejestrować ugięcie końcówki podczas wzbudzenia zginającego (pojedyncza częstotliwość, ciągła sinusoida) przy częstotliwościach 27,5–30 kHz.Aby utworzyć mapę cieni, za czubkiem igły umieszczono chłodzony element białej diody LED o wysokiej intensywności (numer części: 4052899910881, biała dioda LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Niemcy).
Widok z przodu układu doświadczalnego.Głębokość mierzy się od powierzchni ośrodka.Konstrukcja igły jest zaciśnięta i zamontowana na napędzanym silnikiem stole transferowym.Użyj szybkiej kamery z obiektywem o dużym powiększeniu (5\(\x\)), aby zmierzyć odchylenie kąta ukośnego.Wszystkie wymiary podano w milimetrach.
Dla każdego rodzaju skosu igły zarejestrowaliśmy 300 klatek szybkiej kamery o wymiarach 128 \(\x\) 128 pikseli, każda o rozdzielczości przestrzennej 1/180 mm (\(\około) 5 µm), z rozdzielczość czasowa 310 000 klatek na sekundę.Jak pokazano na rysunku 6, każda klatka (1) jest przycinana (2) w taki sposób, że czubek igły znajduje się w ostatniej linii (na dole) ramki, po czym obliczany jest histogram obrazu (3), więc Canny można określić progi 1 i 2.Następnie zastosuj detekcję krawędzi Canny'ego 28(4) za pomocą operatora Sobela 3 \(\times\) 3 i oblicz pozycje pikseli niebędących przeciwprostokątnymi (oznaczonych \(\mathbf {\times }\)) bez kawitacji w 300 krokach czasowych.Aby wyznaczyć zakres ugięcia końcówki, należy obliczyć pochodną (stosując algorytm różnicy centralnej) (6) i wyznaczyć układ (7), który zawiera lokalne ekstrema (tj. szczyt) ugięcia.Po wizualnej kontroli krawędzi wolnej od kawitacji wybrano parę ramek (lub dwie ramki w odstępie półokresowym) (7) i zmierzono ugięcie końcówki (oznaczono jako \(\mathbf {\times} \) ).Powyższe zostało zaimplementowane w Pythonie (v3.8, Python Software Foundation, python.org) przy użyciu algorytmu wykrywania krawędzi OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteka wizji komputerowej open source, opencv.org).Na koniec obliczany jest współczynnik mocy odchylenia (DPR, µm/W) jako stosunek odchylenia międzyszczytowego do przesyłanej mocy elektrycznej \(P_T\) (Wrms).
Używając 7-etapowego algorytmu (1-7), obejmującego kadrowanie (1-2), wykrywanie krawędzi Canny'ego (3-4), obliczenia, zmierz położenie piksela krawędzi odchylenia końcówki za pomocą serii klatek pobranych z wysokiej jakości fotoradar przy 310 kHz (5) i jego pochodna po czasie (6), a na koniec mierzony jest zakres wychylenia końcówki na wizualnie sprawdzonych parach ramek (7).
Mierzono w powietrzu (22,4–22,9°C), wodzie dejonizowanej (20,8–21,5°C) i 10% (w/v) wodnej żelatynie balistycznej (19,7–23,0°C , \(\text {Honeywell}^{ \ tekst { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Żelatyna z kości wołowych i wieprzowych do analizy balistycznej typu I, Honeywell International, Karolina Północna, USA).Temperaturę mierzono za pomocą wzmacniacza termopary typu K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) i termopary typu K (Fluke 80PK-1 Bead Probe nr 3648 typ-K, Fluke Corporation, Waszyngton, USA).Użyj pionowego, napędzanego silnikiem stolika osi Z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Wilno, Litwa), aby zmierzyć głębokość od powierzchni nośnika (ustawionej jako początek osi Z) z rozdzielczością 5 µm na krok.
Ponieważ wielkość próby była mała (n = 5) i nie można było założyć normalności, zastosowano dwupróbkowy dwustronny test sumy rang Wilcoxona (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). aby porównać wielkość odchylenia końcówki igły dla różnych skosów.Dokonano trzech porównań dla każdego nachylenia, zatem zastosowano poprawkę Bonferroniego z skorygowanym poziomem istotności 0,017 i poziomem błędu 5%.
Należy odnieść się do fig. 7 poniżej.Przy 29,75 kHz zakrzywiona połowa długości fali (\(\lambda _y/2\)) igły o rozmiarze 21 wynosi \(\w przybliżeniu) 8 mm.Długość fali zginania maleje wzdłuż zbocza w miarę zbliżania się do wierzchołka.Na końcówce \(\lambda _y/2\) znajdują się schodkowe skosy o wielkości odpowiednio 3, 1 i 7 mm dla lancetów zwykłych (a), asymetrycznych (b) i osiowosymetrycznych (c).Oznacza to zatem, że lancet będzie się różnił o \(\około\) 5 mm (ze względu na to, że dwie płaszczyzny lancetu tworzą punkt 29,30), nachylenie asymetryczne będzie się różnić o 7 mm, a nachylenie symetryczne o 1 mm.Nachylenia osiowosymetryczne (środek ciężkości pozostaje taki sam, więc faktycznie zmienia się tylko grubość ściany wzdłuż nachylenia).
Zastosowanie badania MES przy 29,75 kHz i równania.(1) Oblicz zmianę półfali zginania (\(\lambda _y/2\)) dla geometrii lancetowej (a), asymetrycznej (b) i osiowosymetrycznej (c) skośnej (jak na rys. 1a,b,c).).Średnia \(\lambda_y/2\) dla nachyleń lancetowych, asymetrycznych i osiowosymetrycznych wynosi odpowiednio 5,65, 5,17 i 7,52 mm.Należy pamiętać, że grubość końcówki dla skosów asymetrycznych i osiowosymetrycznych jest ograniczona do \(\około) 50 µm.
Ruchliwość szczytowa \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) jest kombinacją optymalnej długości rury (TL) i długości nachylenia (BL) (ryc. 8, 9).W przypadku konwencjonalnego lancetu, ponieważ jego rozmiar jest stały, optymalna wartość TL wynosi \(\w przybliżeniu\) 29,1 mm (ryc. 8).Dla nachyleń asymetrycznych i osiowosymetrycznych (odpowiednio rys. 9a, b) w badaniu MES uwzględniono BL od 1 do 7 mm, zatem optymalne zakresy TL wynosiły od 26,9 do 28,7 mm (zakres 1,8 mm) i od 27,9 do 29,2 mm (zakres 1,3mm).) ), odpowiednio.Dla nachyleń asymetrycznych (ryc. 9a) optymalny TL wzrastał liniowo, osiągając plateau przy BL 4 mm, a następnie gwałtownie spadał z BL 5 do 7 mm.Dla nachyleń osiowosymetrycznych (rys. 9b) optymalny TL rośnie liniowo wraz z wydłużeniem BL i ostatecznie stabilizuje się na poziomie BL od 6 do 7 mm.Rozszerzone badanie nachyleń osiowosymetrycznych (ryc. 9c) wykazało inny zestaw optymalnych TL zlokalizowanych w (około) 35,1–37,1 mm.Dla wszystkich BL odległość pomiędzy dwoma zestawami optymalnych TL wynosi \(\w przybliżeniu\) 8 mm (co odpowiada \(\lambda _y/2\)).
Ruchliwość transmisji lancetu przy 29,75 kHz.Rurkę igłową zginano z częstotliwością 29,75 kHz, mierzono drgania na końcu i wyrażano je jako wielkość przenoszonej ruchliwości mechanicznej (dB w stosunku do wartości maksymalnej) dla TL 26,5-29,5 mm (skok 0,1 mm).
Badania parametryczne MES przy częstotliwości 29,75 kHz pokazują, że na ruchliwość przenoszenia osiowosymetrycznej końcówki w mniejszym stopniu wpływają zmiany długości rurki niż jej asymetryczny odpowiednik.Badania długości skosu (BL) i długości rury (TL) dla asymetrycznej (a) i osiowosymetrycznej (b, c) geometrii skosu w badaniach w dziedzinie częstotliwości z wykorzystaniem MES (warunki brzegowe przedstawiono na rysunku 2).(a, b) TL wahał się od 26,5 do 29,5 mm (skok 0,1 mm), a BL 1-7 mm (skok 0,5 mm).(c) Rozszerzone badanie osiowo-symetrycznego kąta ukośnego, obejmujące TL 25–40 mm (krok 0,05 mm) i 0,1–7 mm (krok 0,1 mm), które ujawnia pożądany stosunek (\lambda_y/2\). Warunki brzegowe luźnego ruchu dla końcówki są spełnione.
Struktura igły ma trzy częstotliwości własne \(f_{1-3}\) podzielone na obszary modalne niskie, średnie i wysokie, jak pokazano w Tabeli 1. Rozmiar PTE pokazano na Ryc. 10, a następnie przeanalizowano na Ryc. 11. Poniżej znajdują się wyniki dla każdego obszaru modalnego:
Typowe zarejestrowane amplitudy chwilowej wydajności przenoszenia mocy (PTE) uzyskane przy wzbudzeniu sinusoidalnym z częstotliwością przemiatania na głębokości 20 mm dla lancetu (L) i osiowosymetrycznych nachyleń AX1-3 w powietrzu, wodzie i żelatynie.Pokazano widmo jednostronne.Zmierzoną charakterystykę częstotliwościową (częstotliwość próbkowania 300 kHz) poddano filtracji dolnoprzepustowej, a następnie próbkowano 200-krotnie w celu analizy modalnej.Stosunek sygnału do szumu wynosi \(\le\) 45 dB.Faza PTE (fioletowa linia przerywana) jest pokazana w stopniach (\(^{\circ}\)).
Analizę odpowiedzi modalnej pokazano na rysunku 10 (średnia ± odchylenie standardowe, n = 5) dla nachyleń L i AX1-3 w powietrzu, wodzie i 10% żelatynie (głębokość 20 mm) z (u góry) trzema obszarami modalnymi (niski , średni wzrost).) i odpowiadające im częstotliwości modalne\(f_{1-3}\) (kHz), (średnia) efektywność energetyczna\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) wykorzystuje równania projektowe.(4) i (na dole) to odpowiednio pełna szerokość w połowie maksymalnej zmierzonej wartości \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Należy pamiętać, że przy rejestrowaniu niskiego PTE, tj. w przypadku nachylenia AX2, pomiar szerokości pasma jest pomijany, \(\text {FWHM}_{1}\).Tryb \(f_2\) uznawany jest za najodpowiedniejszy do porównywania ugięcia płaszczyzn pochyłych, gdyż wykazuje najwyższy poziom efektywności przenoszenia mocy (\(\text {PTE}_{2}\)), aż do 99%
Pierwszy obszar modalny: \(f_1\) nie zależy zbytnio od typu włożonego nośnika, ale zależy od geometrii skosu.\(f_1\) maleje wraz ze zmniejszaniem się długości skosu (odpowiednio 27,1, 26,2 i 25,9 kHz dla AX1-3 w powietrzu).Średnie regionalne \(\text {PTE}_{1}\) i \(\text {FWHM}_{1}\) wynoszą odpowiednio \(\około\) 81% i 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) był najwyższy w żelatynie z Lancet (L, 473 Hz).Należy zauważyć, że nie można oszacować \(\text {FWHM}_{1}\) dla AX2 w żelatynie ze względu na małą wielkość zgłaszanych odpowiedzi częstotliwościowych.
Drugi obszar modalny: \(f_2\) zależy od rodzaju pasty i materiału fazowanego.W powietrzu, wodzie i żelatynie średnie wartości \(f_2\) wynoszą odpowiednio 29,1, 27,9 i 28,5 kHz.PTE dla tego obszaru modalnego również osiągnęło poziom 99%, najwyższy spośród wszystkich grup pomiarowych, przy średniej regionalnej wynoszącej 84%.Średnia powierzchnia \(\text {FWHM}_{2}\) wynosi \(\w przybliżeniu\) 910 Hz.
Trzeci obszar modalny: \(f_3\) Częstotliwość zależy od rodzaju ośrodka wprowadzającego i skosu.Średnie wartości \(f_3\) wynoszą odpowiednio 32,0, 31,0 i 31,3 kHz w powietrzu, wodzie i żelatynie.\(\text {PTE}_{3}\) ma średnią regionalną wynoszącą \(\w przybliżeniu\) 74%, najniższą ze wszystkich regionów.Średnia regionalna \(\text {FWHM}_{3}\) wynosi \(\w przybliżeniu\) 1085 Hz, czyli jest wyższa niż w pierwszym i drugim regionie.
Poniższe odnosi się do rys.12 i tabela 2. Lancet (L) najbardziej uginał się (z dużym znaczeniem dla wszystkich końcówek, \(p<\) 0,017) zarówno w powietrzu, jak i w wodzie (ryc. 12a), osiągając najwyższy DPR (do 220 µm/ W w powietrzu). 12 i tabela 2. Lancet (L) najbardziej uginał się (z dużym znaczeniem dla wszystkich końcówek, \(p<\) 0,017) zarówno w powietrzu, jak i w wodzie (ryc. 12a), osiągając najwyższy DPR (do 220 µm/ W w powietrzu). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью д ля всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Poniższe odnosi się do rysunku 12 i tabeli 2. Lancet (L) ugiął się najbardziej (z dużym znaczeniem dla wszystkich końcówek, \(p<\) 0,017) zarówno w powietrzu, jak i w wodzie (ryc. 12a), osiągając najwyższy DPR.(do 220 μm/W w powietrzu).Należy odnieść się do rysunku 12 i tabeli 2 poniżej.柳叶刀(L) 在空气和水中(图12a)）中偏转最大(对所有尖端具有高度意义，\(p<\) 0.017），实现最高DPR (空气中高达220 µm/W).柳叶刀(L) ma najwyższe ugięcie w powietrzu i wodzie (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017) i osiągnął najwyższy DPR (do 220 µm/ W w powietrzu). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (ри с. 12а), достигая самого высокого DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) ma największe odchylenie (wysoce istotne dla wszystkich końcówek, \(p<\) 0,017) w powietrzu i wodzie (ryc. 12a), osiągając najwyższy DPR (do 220 µm/W w powietrzu). W powietrzu AX1, który miał wyższy BL, odbił się bardziej niż AX2–3 (ze istotnością \(p<\) 0,017), podczas gdy AX3 (który miał najniższy BL) odbił się bardziej niż AX2 przy DPR 190 µm/W. W powietrzu AX1, który miał wyższy BL, odbił się bardziej niż AX2–3 (ze istotnością \(p<\) 0,017), podczas gdy AX3 (który miał najniższy BL) odbił się bardziej niż AX2 przy DPR 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым н изким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. W powietrzu AX1 z wyższym BL odbił się bardziej niż AX2–3 (z istotnością \(p<\) 0,017), podczas gdy AX3 (z najniższym BL) odbił się bardziej niż AX2 przy 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AX2, DPR 190 µm/W. W powietrzu ugięcie AX1 z wyższym BL jest większe niż AX2-3 (znacznie \(p<\) 0,017), a ugięcie AX3 (z najniższym BL) jest większe niż AX2, DPR wynosi 190 µm/W. воздухе AX1 с более высоким BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) имеет большее отклонение, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. W powietrzu AX1 z wyższym BL ma większe odchylenie niż AX2-3 (istotne, \(p<\) 0,017), podczas gdy AX3 (z najniższym BL) ma większe odchylenie niż AX2 z DPR 190 μm/W. W wodzie na głębokości 20 mm nie stwierdzono istotnych różnic (\(p>\) 0,017) w ugięciu i PTE dla AX1–3. W wodzie na głębokości 20 mm nie stwierdzono istotnych różnic (\(p>\) 0,017) w ugięciu i PTE dla AX1–3. В воде на глубине 20 мм достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ФТР для AX1–3 не обнаружено. W wodzie na głębokości 20 mm wykryto istotne różnice (\(p>\) 0,017) w ugięciu i FTR dla AX1–3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 W wodzie o głębokości 20 mm nie było istotnej różnicy pomiędzy AX1-3 i PTE (\(p>\) 0,017). На глубине 20 мм прогиб i PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). Na głębokości 20 mm ugięcie i PTE AX1-3 nie różniły się istotnie (\(p>\) 0,017).Poziomy PTE w wodzie (90,2–98,4%) były na ogół wyższe niż w powietrzu (56–77,5%) (ryc. 12c), a podczas eksperymentu w wodzie zaobserwowano zjawisko kawitacji (ryc. 13, zob. także dodatkowe Informacja).
Pomiary amplitudy zgięcia końcówki (średnia ± odchylenie standardowe, n = 5) dla fazek L i AX1-3 w powietrzu i wodzie (głębokość 20 mm) ujawniły wpływ zmiany geometrii fazowania.Pomiary uzyskiwane są przy zastosowaniu ciągłego wzbudzenia sinusoidalnego o pojedynczej częstotliwości.(a) Odchylenie szczytowe (\(u_y\vec {j}\)) w wierzchołku, mierzone przy (b) odpowiednich częstotliwościach modalnych \(f_2\).(c) Sprawność przenoszenia mocy (PTE, rms, %) w postaci równania.(4) i (d) Współczynnik mocy odchylenia (DPR, µm/W) obliczony jako odchylenie szczytowe i moc transmisji \(P_T\) (Wrms).
Typowy wykres cieni szybkiej kamery pokazujący całkowite odchylenie końcówki lancetu (zielone i czerwone linie przerywane) lancetu (L) i osiowosymetrycznej końcówki (AX1-3) w wodzie (głębokość 20 mm), półcykl, częstotliwość napędu \(f_2\) (częstotliwość próbkowania 310 kHz).Przechwycony obraz w skali szarości ma wymiary 128 × 128 pikseli i rozmiar piksela wynoszący \(\w przybliżeniu) 5 µm.Film można znaleźć w dodatkowych informacjach.
W ten sposób modelowaliśmy zmianę długości fali zginania (ryc. 7) i obliczyliśmy ruchliwość mechaniczną przy przenoszeniu dla konwencjonalnych kombinacji lancetowatych, asymetrycznych i osiowych długości i skosu rury (ryc. 8, 9).Symetryczna skośna geometria.Na podstawie tego ostatniego oszacowaliśmy optymalną odległość końcówki od spoiny na 43 mm (lub \(\w przybliżeniu\) 2,75\(\lambda_y\) przy 29,75 kHz), jak pokazano na rysunku 5, i wykonaliśmy trzy osiowo-symetryczne skosy z różne długości skosów.Następnie scharakteryzowaliśmy ich charakterystykę częstotliwościową w porównaniu z konwencjonalnymi lancetami w powietrzu, wodzie i 10% (w/v) żelatynie balistycznej (ryc. 10, 11) i określiliśmy najlepszy przypadek do porównania trybu odchylania pochylenia.Na koniec zmierzyliśmy ugięcie końcówki przez falę zginającą w powietrzu i wodzie na głębokości 20 mm i określiliśmy ilościowo efektywność przenoszenia mocy (PTE, %) i współczynnik mocy ugięcia (DPR, µm/W) wtryskiwanego medium dla każdego pochylenia.typ (ryc. 12).
Wyniki pokazują, że oś nachylenia geometrii wpływa na odchylenie amplitudy osi końcówki.Lancet charakteryzował się największą krzywizną, a także największym DPR w porównaniu ze skosem osiowo-symetrycznym, natomiast skos osiowo-symetryczny charakteryzował się mniejszym średnim odchyleniem (ryc. 12). Osiowo-symetryczny skos 4 mm (AX1) charakteryzujący się najdłuższą długością skosu uzyskał statystycznie istotne największe ugięcie w powietrzu (\(p < 0,017\), tab. 2) w porównaniu do innych igieł osiowo-symetrycznych (AX2–3), jednak nie zaobserwowano znaczących różnic po umieszczeniu igły w wodzie. Osiowo-symetryczny skos 4 mm (AX1) charakteryzujący się najdłuższą długością skosu uzyskał statystycznie istotne największe ugięcie w powietrzu (\(p < 0,017\), tab. 2) w porównaniu do innych igieł osiowo-symetrycznych (AX2–3), jednak nie zaobserwowano znaczących różnic po umieszczeniu igły w wodzie. Осесимметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статистически значимого наибольшего отклонения в воздухе (\(p <0,017\), таблица 2) по сравнению с другими осесимметричными иглами (AX2–3). Skos osiowosymetryczny 4 mm (AX1), posiadający najdłuższą długość skosu, uzyskał statystycznie istotnie większe odchylenie w powietrzu (\(p < 0,017\), tab. 2) w porównaniu z innymi igłami osiowosymetrycznymi (AX2–3).jednak nie zaobserwowano znaczących różnic po umieszczeniu igły w wodzie.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。 W porównaniu z innymi igłami osiowo symetrycznymi (AX2-3) ma najdłuższy kąt skośny wynoszący 4 mm osiowo symetrycznie (AX1) w powietrzu i osiąga istotne statystycznie maksymalne ugięcie (\(p < 0,017\), tab. 2) , ale po umieszczeniu igły w wodzie nie zaobserwowano znaczącej różnicy. Осесиметричный скос 4 мм (ax1) наиtoś по сравнению сруимими осесиметричныи иглами (ax2-3) (\ (p <0,017 \), таблица 2), нно нщществей рницы нзо. Nachylenie osiowosymetryczne o najdłuższym nachyleniu wynoszącym 4 mm (AX1) zapewniało statystycznie istotne maksymalne odchylenie w powietrzu w porównaniu do pozostałych nachyleń osiowosymetrycznych (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabela 2), ale nie było znacząca różnica.obserwuje się po umieszczeniu igły w wodzie.Zatem dłuższa długość skosu nie ma oczywistych zalet pod względem maksymalnego ugięcia wierzchołka.Biorąc to pod uwagę, okazuje się, że geometria zbocza badana w tym badaniu ma większy wpływ na ugięcie amplitudy niż długość zbocza.Może to być związane na przykład ze sztywnością zginania, w zależności od giętego materiału i całkowitej grubości igły konstrukcyjnej.
W badaniach eksperymentalnych na wielkość odbitej fali zginania wpływają warunki brzegowe końcówki.Kiedy końcówkę igły wprowadzono do wody i żelatyny, \(\text {PTE}_{2}\) uśredniło \(\w przybliżeniu\) 95% i \(\text {PTE}_{2}\) uśredniło wartości wynoszą odpowiednio 73% i 77% (\text {PTE}_{1}\) i \(\text {PTE}_{3}\) (ryc. 11).Oznacza to, że maksymalne przeniesienie energii akustycznej do ośrodka odlewniczego (na przykład wody lub żelatyny) następuje przy \(f_2\).Podobne zachowanie zaobserwowano w poprzednim badaniu z wykorzystaniem prostszych konstrukcji urządzeń przy częstotliwościach 41-43 kHz, gdzie autorzy wykazali współczynnik odbicia napięcia powiązany z modułem mechanicznym ośrodka interkalowanego.Głębokość penetracji32 i właściwości mechaniczne tkanki powodują obciążenie mechaniczne igły i dlatego oczekuje się, że będą miały wpływ na zachowanie rezonansowe UZeFNAB.Dlatego algorytmy śledzenia rezonansu, takie jak 17, 18, 33, można wykorzystać do optymalizacji mocy dźwięku dostarczanego przez igłę.
Modelowanie długości fali zgięcia (ryc. 7) pokazuje, że osiowo-symetryczny ma wyższą sztywność strukturalną (tj. wyższą sztywność zginania) na końcówce niż lancet i asymetryczny skos.Wychodząc z (1) i wykorzystując znaną zależność prędkość-częstotliwość, szacujemy sztywność zginania końcówek lancetu, asymetrycznych i osiowosymetrycznych jako nachylenia (\w przybliżeniu) odpowiednio 200, 20 i 1500 MPa.Odpowiada to (\lambda _y\) odpowiednio 5,3, 1,7 i 14,2 mm przy 29,75 kHz (ryc. 7a – c).Biorąc pod uwagę bezpieczeństwo kliniczne procedury USeFNAB, należy ocenić wpływ geometrii na sztywność konstrukcji skosu34.
Badania parametrów skosu i długości rury (rys. 9) wykazały, że optymalny zakres TL dla skosu asymetrycznego (1,8 mm) był większy niż dla skosu osiowosymetrycznego (1,3 mm).Ponadto plateau ruchomości wynosi odpowiednio od 4 do 4,5 mm i od 6 do 7 mm dla pochylenia asymetrycznego i osiowosymetrycznego (ryc. 9a, b).Praktyczne znaczenie tego ustalenia wyraża się w tolerancjach produkcyjnych, na przykład niższy zakres optymalnego TL może oznaczać potrzebę większej dokładności długości.Jednocześnie platforma uzysku zapewnia większą tolerancję w zakresie wyboru długości nachylenia przy danej częstotliwości, bez znaczącego wpływu na uzysk.
Badanie zawiera następujące ograniczenia.Bezpośredni pomiar ugięcia igły za pomocą detekcji krawędzi i szybkiego obrazowania (ryc. 12) oznacza, że jesteśmy ograniczeni do mediów optycznie przezroczystych, takich jak powietrze i woda.Pragniemy również zaznaczyć, że nie stosowaliśmy eksperymentów do badania symulowanej ruchliwości transferu i odwrotnie, lecz wykorzystaliśmy badania FEM w celu określenia optymalnej długości wyprodukowanej igły.Z punktu widzenia ograniczeń praktycznych długość lancetu od czubka do rękawa jest o 0,4 cm dłuższa niż w przypadku innych igieł (AX1-3), patrz ryc.3b.Mogło to mieć wpływ na odpowiedź modalną struktury iglastej.Ponadto kształt i objętość lutowia prowadzącego falowodu (patrz rysunek 3) może wpływać na impedancję mechaniczną konstrukcji styku, powodując błędy w impedancji mechanicznej i zachowaniu przy zginaniu.
Na koniec wykazaliśmy eksperymentalnie, że geometria skosu wpływa na wielkość ugięcia w USeFNAB.W sytuacjach, gdy większa amplituda ugięcia może mieć pozytywny wpływ na działanie igły na tkankę, np. skuteczność cięcia po nakłuciu, do USeFNAB można polecić lancet konwencjonalny, gdyż zapewnia on największą amplitudę ugięcia przy zachowaniu wystarczającej sztywności na końcu projektu.Ponadto niedawne badanie wykazało, że większe ugięcie końcówki może zwiększyć efekty biologiczne, takie jak kawitacja, co może pomóc w opracowaniu zastosowań w małoinwazyjnych interwencjach chirurgicznych.Biorąc pod uwagę, że wykazano, że zwiększenie całkowitej mocy akustycznej zwiększa wydajność biopsji z USeFNAB13, potrzebne są dalsze badania ilościowe dotyczące wydajności i jakości próbek, aby ocenić szczegółowe korzyści kliniczne wynikające z badanej geometrii igły.
Frable, WJ Biopsja aspiracyjna cienkoigłowa: recenzja.Humph.Chory.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Czas publikacji: 13 października 2022 r