Благодарим вас за посещение Nature.com.Версия браузера, которую вы используете, имеет ограниченную поддержку CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Тем временем, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Недавно было продемонстрировано, что использование ультразвука увеличивает выход ткани при тонкоигольной аспирации с помощью ультразвука (USEFNAB) по сравнению с традиционной тонкоигольной аспирацией (FNAB).На сегодняшний день взаимосвязь между геометрией скоса и движением вершины досконально не изучена.В этом исследовании мы исследовали свойства резонанса иглы и амплитуды отклонения для различной геометрии скоса иглы с разной длиной скоса.При использовании обычного ланцета со скошенной кромкой диаметром 3,9 мм коэффициент отклонения кончика (DPR) в воздухе и воде составил 220 и 105 мкм/Вт соответственно.Это выше, чем у осесимметричного скошенного наконечника диаметром 4 мм, обеспечивающего DPR 180 и 80 мкм/Вт в воздухе и воде соответственно.Это исследование подчеркивает важность взаимосвязи между жесткостью на изгиб геометрии скоса в контексте различных способов введения и, следовательно, может дать представление о методах управления режущим действием после прокалывания путем изменения геометрии скоса иглы, что важно.для приложения USeFNAB имеет решающее значение.
Тонкоигольная аспирационная биопсия (ТБА) — метод получения образцов тканей при подозрении на патологию1,2,3 с помощью иглы.Было показано, что наконечник Franseen обеспечивает более высокую диагностическую эффективность, чем обычные наконечники ланцета4 и Menghini5.Также предполагается, что осесимметричные (т.е. окружные) наклоны повышают вероятность получения гистопатологически адекватных образцов.
Во время биопсии игла проводится через слои кожи и тканей, чтобы получить доступ к подозрительным очагам.Недавние исследования показали, что ультразвук может уменьшить силу проникновения, необходимую для доступа к мягким тканям7,8,9,10.Было показано, что геометрия скоса иглы влияет на силы взаимодействия иглы, например, было показано, что более длинные скосы имеют меньшие силы проникновения в ткань11.После того, как игла проникла на поверхность ткани, т.е. после прокола, режущая сила иглы может составлять 75% от силы взаимодействия иглы с тканью12.Показано, что на постпункционном этапе ультразвуковое исследование (УЗИ) повышает эффективность диагностической биопсии мягких тканей.Для взятия образцов твердых тканей были разработаны другие методы биопсии кости с ультразвуковым усилением, но не было получено никаких результатов, которые бы улучшили выход биопсии.Многочисленные исследования также подтвердили, что механическое смещение увеличивается при воздействии ультразвука16,17,18.Хотя существует множество исследований осевых (продольных) статических сил при взаимодействии иглы с тканью19,20, количество исследований временной динамики и геометрии скоса иглы под воздействием ультразвукового FNAB (USeFNAB) ограничено.
Целью данного исследования было изучение влияния различной геометрии фаски на движение кончика иглы, приводимой в движение ультразвуковым изгибом.В частности, мы исследовали влияние инъекционной среды на отклонение кончика иглы после прокола для традиционных игл с фасками (т. е. игл USeFNAB для различных целей, таких как селективная аспирация или захват мягких тканей).
В это исследование были включены различные геометрии фасок.(a) Спецификация Lancet соответствует стандарту ISO 7864:201636, где \(\alpha\) — основной скос, \(\theta\) — угол поворота вторичного скоса, а \(\phi\) — вторичный скос. угол., при вращении, в градусах (\(^\circ\)).(b) Линейные асимметричные одноступенчатые фаски (называемые «стандартными» в DIN 13097:201937) и (c) Линейные осесимметричные (по окружности) одноступенчатые фаски.
Наш подход начинается с моделирования изменения длины волны изгиба вдоль скоса для обычной стрельчатой, осесимметричной и асимметричной одноступенчатой геометрии скоса.Затем мы провели параметрическое исследование, чтобы изучить влияние наклона и длины трубы на механическую текучесть передачи.Это необходимо для определения оптимальной длины для изготовления прототипа иглы.На основе моделирования были изготовлены прототипы игл и экспериментально охарактеризовано их резонансное поведение путем измерения коэффициентов отражения напряжения и расчета эффективности передачи мощности в воздухе, воде и 10% (мас./об.) баллистическом желатине, из чего была определена рабочая частота. .Наконец, высокоскоростная визуализация используется для непосредственного измерения отклонения изгибной волны на кончике иглы в воздухе и воде, а также для оценки электрической мощности, передаваемой под каждым наклонным углом, и геометрии коэффициента мощности отклонения ( ДПР) к инъецируемой среде..
Как показано на рисунке 2a, используйте трубку калибра 21 (наружный диаметр 0,80 мм, внутренний диаметр 0,49 мм, толщина стенки трубки 0,155 мм, стандартная стенка) для определения трубки иглы с длиной трубки (TL) и углом скоса (BL) в соответствии со стандартом ISO. 9626:201621) из нержавеющей стали 316 (модуль Юнга 205 \(\text {GN/m}^{2}\), плотность 8070 кг/м\(^{3}\) и коэффициент Пуассона 0,275 ).
Определение длины волны изгиба и настройка модели конечных элементов (МКЭ) для игольчатых и граничных условий.(а) Определение длины фаски (BL) и длины трубы (TL).(b) Трехмерная (3D) модель методом конечных элементов (МКЭ) с использованием гармонической точечной силы \(\tilde{F}_y\vec {j}\) для перемещения иглы проксимально, отклонения точки и измерения скорости в точке Tip (\ (\tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) для расчета передачи механической текучести.\(\lambda _y\) определяется как длина волны изгиба относительно вертикальной силы \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Определения центра тяжести, площади поперечного сечения A и моментов инерции \(I_{xx}\) и \(I_{yy}\) вокруг осей x и y соответственно.
Как показано на рис.2б,в, для бесконечного (бесконечного) пучка с площадью поперечного сечения А и на длине волны, большей размера поперечного сечения пучка, изогнутая (или изогнутая) фазовая скорость \( c_{EI }\) определяется соотношением 22 :
где E — модуль Юнга (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) — угловая частота возбуждения (рад/с), где \( f_0 \ ) — линейная частота (1/с или Гц), I — момент инерции области вокруг интересующей оси \((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) — масса на единицу длины (кг/м), где \(\rho _0\) — плотность\((\text {kg/m}^{3})\) и A — крест сечение площади балки (плоскость xy) (\(\text {m}^{2}\)).Поскольку сила, приложенная в нашем примере, параллельна вертикальной оси Y, т.е. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), нас интересует только региональный момент инерции вокруг горизонтальной оси X, т.е. \(I_{xx}\), поэтому:
Для модели конечных элементов (МКЭ) предполагается чисто гармоническое смещение (м), поэтому ускорение (\(\text {m/s}^{2}\)) выражается как \(\partial ^2 \vec { u}/ \ частичное t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) as \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) — трехмерный вектор смещения, заданный в пространственных координатах.Вместо последнего, в соответствии с его реализацией в программном комплексе COMSOL Multiphysicals (версии 5.4-5.5, COMSOL Inc., Массачусетс, США), лагранжева форма конечной деформации закона баланса импульса задается следующим образом:
где \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) — оператор тензорной дивергенции, \({\underline{\sigma}}\) — второй тензор напряжений Пиолы-Кирхгофа (второй порядок, \(\ text { N/ m}^{2}\)) и \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) — вектор объемной силы (\(\text {N/m}^{3}\)) для каждого деформированного объема, а \(e^{j\phi }\) — вектор фазового угла\(\ phi \ ) ( радостный).В нашем случае объемная сила тела равна нулю, наша модель предполагает геометрическую линейность и небольшую чисто упругую деформацию, т.е. где \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) и \({\underline {\varepsilon}}\) — упругая деформация и полная деформация (второго порядка, безразмерная) соответственно.Тензор конститутивной изотропной упругости Гука \(\underline{\underline{C}}\) вычисляется с использованием модуля Юнга E (\(\text {N/m}^{2}\)) и определяется коэффициент Пуассона v, т.е. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (четвертый порядок).Таким образом, расчет напряжения принимает вид \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
В расчете используется 10-узловой тетраэдрический элемент с размером элемента \(\le\) 8 мкм.Игла моделируется в вакууме, а значение передаваемой механической подвижности (мс-1 Н-1) определяется как \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, где \(\tilde{v}_y\vec {j}\) — выходная комплексная скорость наконечника, а \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) — комплексная движущая сила, расположенная на проксимальном конце трубки, как показано на рисунке 2б.Переведите механическую текучесть в децибелы (дБ), используя максимальное значение в качестве ссылки, т.е. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Все исследования методом МКЭ проводились на частоте 29,75 кГц.
Конструкция иглы (рис. 3) состоит из обычной иглы для подкожных инъекций 21 калибра (Кат. № 4665643, Sterican\(^\circledR\), наружный диаметр 0,8 мм, длина 120 мм, нержавеющая хромоникелевая сталь AISI 304. сталь, B. Braun Melsungen AG, Мельсунген, Германия), оснащенные пластиковой втулкой Luer Lock, изготовленной из полипропилена на проксимальном конце и соответствующим образом модифицированной на конце.Игольная трубка припаяна к волноводу, как показано на рис. 3б.Волноводы были напечатаны на 3D-принтере из нержавеющей стали (нержавеющая сталь EOS 316L на 3D-принтере EOS M 290, 3D Formtech Oy, Ювяскюля, Финляндия), а затем прикреплены к датчику Ланжевена с помощью болтов М4.Датчик Ланжевена состоит из 8 пьезоэлектрических кольцевых элементов, нагруженных с обоих концов двумя массами.
Четыре типа насадок (фото), серийный ланцет (Л) и три выпускаемых осесимметричных одноступенчатых фаски (АХ1-3) характеризовались длинами скосов (БЛ) 4, 1,2 и 0,5 мм соответственно.(а) Крупный план готового кончика иглы.(б) Вид сверху на четыре контакта, припаянные к волноводу, напечатанному на 3D-принтере, а затем соединенные с датчиком Ланжевена болтами M4.
Были изготовлены три осесимметричных скошенных наконечника (рис. 3) (TAs Machine Tools Oy) с длиной скоса (BL, как определено на рис. 2a) 4,0, 1,2 и 0,5 мм, что соответствует \(\approx) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) и 18\(^\circ\) соответственно.Масса волновода и иглы составляет 3,4 ± 0,017 г (среднее ± стандартное отклонение, n = 4) для фасок L и AX1-3 соответственно (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Геттинген, Германия) .Для скосов L и AX1-3 на рисунке 3б общая длина от кончика иглы до конца пластиковой втулки составила 13,7, 13,3, 13,3 и 13,3 см соответственно.
Для всех конфигураций иглы длина от кончика иглы до кончика волновода (т.е. до зоны сварного шва) составляла 4,3 см, а трубка иглы была ориентирована срезом вверх (т.е. параллельно оси Y). , как показано на рисунке.в (рис. 2).
Пользовательский сценарий в MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Массачусетс, США), запущенный на компьютере (Latitude 7490, Dell Inc., Техас, США), использовался для генерации линейной синусоидальной развертки от 25 до 35 кГц в течение 7 секунд. прохождение Цифро-аналоговый преобразователь (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Вашингтон, США) преобразует в аналоговый сигнал.Аналоговый сигнал \(V_0\) (0,5 В (размах)) затем усиливался с помощью специального радиочастотного (РЧ) усилителя (Mariachi Oy, Турку, Финляндия).Падающее усиленное напряжение \({V_I}\) от усилителя ВЧ с выходным сопротивлением 50 Ом поступает на встроенный в игольчатую конструкцию трансформатор с входным сопротивлением 50 Ом.Преобразователи Ланжевена (передние и задние сверхпрочные многослойные пьезоэлектрические преобразователи) используются для генерации механических волн.Специальный радиочастотный усилитель оснащен двухканальным измерителем коэффициента мощности стоячей волны (КСВ), который записывает падающее \({V_I}\) и отраженное усиленное напряжение\(V_R\) в аналого-цифровом (AD) режиме.с частотой дискретизации 300 кГц Конвертер (аналог Discovery 2).Сигнал возбуждения модулируется по амплитуде в начале и в конце, чтобы предотвратить перегрузку входа усилителя переходными процессами.
С помощью специального сценария, реализованного в MATLAB, функция частотной характеристики (FRF), т.е. линейность во времени.инвариантная система.Кроме того, применяется полосовой фильтр от 20 до 40 кГц для удаления из сигнала любых нежелательных частот.Если обратиться к теории линий передачи, то в этом случае \(\tilde{H}(f)\) эквивалентно коэффициенту отражения напряжения, т.е. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) уменьшается до \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) равно \(|\rho _{V}|^2\).В тех случаях, когда требуются абсолютные значения электрической мощности, падающая мощность \(P_I\) и отраженная мощность \(P_R\) мощность (Вт) рассчитываются, например, путем взятия действующего значения (rms) соответствующего напряжения.для линии передачи с синусоидальным возбуждением \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, где \(Z_0\) равно 50 \(\Omega\).Электрическая мощность, подаваемая на нагрузку \(P_T\) (т. е. вставленную среду), может быть рассчитана как \(|P_I – P_R |\) (Вт RMS), а также эффективность передачи мощности (PTE) и процент ( %) можно определить, как задана форма, поэтому 27:
Затем игольчатые модальные частоты \(f_{1-3}\) (кГц) и соответствующие им коэффициенты передачи мощности \(\text {PTE}_{1{-}3} \) оцениваются с использованием FRF.Полуширина (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Гц) рассчитана непосредственно из \(\text {PTE}_{1{-}3}\), из таблицы 1 Односторонний линейный спектр получается на описанной модальной частоте \(f_{1-3}\).
Измерение частотной характеристики (АЧХ) игольчатых структур.Синусоидальное двухканальное измерение с разверткой25,38 используется для получения функции частотной характеристики \(\tilde{H}(f)\) и ее импульсной характеристики H(t).\({\mathcal {F}}\) и \({\mathcal {F}}^{-1}\) представляют собой преобразование Фурье цифрового усечения и его обратное значение соответственно.\(\tilde{G}(f)\) означает произведение двух сигналов в частотной области, например \(\tilde{G}_{XrX}\) означает обратное произведение сканирования\(\tilde{ X} r (f)\ ) и падение напряжения \(\tilde{X}(f)\) соответственно.
Как показано на рисунке 5, высокоскоростная камера (Phantom V1612, Vision Research Inc., Нью-Джерси, США) оснащена макрообъективом (MP-E 65 мм, \(f\)/2,8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Токио, Япония), для регистрации отклонений иглы при изгибном возбуждении (одночастотная, непрерывная синусоида) на частотах 27,5-30 кГц.Для создания карты теней за кончиком иглы был помещен охлаждаемый элемент белого светодиода высокой интенсивности (номер детали: 4052899910881, белый светодиод, 3000 К, 4150 лм, Osram Opto Semiconductors GmbH, Регенсбург, Германия).
Вид спереди на экспериментальную установку.Глубина измеряется от поверхности среды.Игольная конструкция зажимается и устанавливается на моторизованном передаточном столе.Используйте высокоскоростную камеру с объективом с большим увеличением (5\(\x\)) для измерения отклонения угла наклона.Все размеры указаны в миллиметрах.
Для каждого типа скоса иглы было записано 300 кадров высокоскоростной камеры размером 128 \(\x\)128 пикселей, каждый с пространственным разрешением 1/180 мм (\(\приблизительно) 5 мкм), с временное разрешение 310 000 кадров в секунду.Как показано на рисунке 6, каждый кадр (1) обрезается (2) так, что кончик иглы находится на последней линии (внизу) кадра, а гистограмма изображения (3) рассчитывается, поэтому Кэнни могут быть определены пороги 1 и 2.Затем примените обнаружение края Кэнни 28(4) с оператором Собеля 3 \(\times\) 3 и вычислите положения для пикселей, не являющихся гипотенузой (помеченных \(\mathbf {\times }\)) без кавитации, 300 временных шагов.Чтобы определить диапазон отклонения наконечника, вычислите производную (используя алгоритм центральной разности) (6) и определите кадр (7), который содержит локальные экстремумы (т.е. пик) отклонения.После визуального осмотра безкавитационной кромки выбиралась пара кадров (или два кадра с интервалом в полпериода) (7) и измерялся прогиб наконечника (обозначался \(\mathbf {\times } \) ).Вышеупомянутое реализовано на Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) с использованием алгоритма обнаружения границ OpenCV Canny (v4.5.1, библиотека компьютерного зрения с открытым исходным кодом, opencv.org).Наконец, коэффициент мощности отклонения (DPR, мкм/Вт) рассчитывается как отношение пикового отклонения к передаваемой электрической мощности \(P_T\) (Wrms).
Используя 7-шаговый алгоритм (1-7), включающий обрезку (1-2), обнаружение края Кэнни (3-4), расчет, измерьте положение пикселя края отклонения наконечника, используя серию кадров, снятых с высокого разрешения. камера контроля скорости на частоте 310 кГц (5) и ее производная по времени (6), и, наконец, на визуально проверяемых парах кадров (7) измеряется дальность отклонения законцовки.
Измерения проводились на воздухе (22,4–22,9°C), деионизированной воде (20,8–21,5°C) и 10 % (мас./об.) водном баллистическом желатине (19,7–23,0 °C). \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Желатин из бычьих и свиных костей для баллистического анализа типа I, Honeywell International, Северная Каролина, США).Температуру измеряли с помощью усилителя термопары К-типа (AD595, Analog Devices Inc., Массачусетс, США) и термопары К-типа (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Вашингтон, США).Используйте вертикальный моторизованный столик по оси Z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Вильнюс, Литва) для измерения глубины от поверхности носителя (устанавливается как начало оси Z) с разрешением 5 мкм на шаг.
Поскольку размер выборки был небольшим (n = 5) и нельзя было предположить нормальность, использовался двухвыборочный двусторонний критерий суммы рангов Уилкоксона (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). чтобы сравнить величину отклонения кончика иглы для различных фасок.Для каждого наклона было проведено три сравнения, поэтому была применена поправка Бонферрони со скорректированным уровнем значимости 0,017 и частотой ошибок 5%.
Ссылка сделана на фиг.7 ниже.На частоте 29,75 кГц изогнутая полуволна волны (\(\lambda _y/2\)) иглы 21 калибра составляет \(\приблизительно) 8 мм.Длина волны изгиба уменьшается вдоль склона по мере приближения к вершине.На кончике \(\lambda_y/2\) имеются ступенчатые скосы 3, 1 и 7 мм соответственно для обычных ланцетов (а), асимметричных (б) и осесимметричных (в).Таким образом, это означает, что ланцет будет отличаться на \(\около\) 5 мм (ввиду того, что две плоскости ланцета образуют точку 29,30), несимметричный наклон будет отличаться на 7 мм, а симметричный наклон на 1 мм.Осесимметричные скаты (центр тяжести остается прежним, поэтому фактически меняется только толщина стены вдоль ската).
Применение исследования FEM на частоте 29,75 кГц и уравнения.(1) Рассчитайте изменение изгибной полуволны (\(\lambda _y/2\)) для стрельчатой (a), асимметричной (b) и осесимметричной (c) наклонной геометрии (как на рис. 1a,b,c).).Среднее значение \(\lambda_y/2\) для стрельчатого, асимметричного и осесимметричного наклонов составляет 5,65, 5,17 и 7,52 мм соответственно.Обратите внимание, что толщина кончика для асимметричных и осесимметричных фасок ограничена \(\приблизительно) 50 мкм.
Пиковая подвижность \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) представляет собой сочетание оптимальной длины трубки (TL) и длины наклона (BL) (рис. 8, 9).Для обычного ланцета, поскольку его размер фиксирован, оптимальная TL составляет \(\приблизительно\) 29,1 мм (рис. 8).Для несимметричных и осесимметричных скатов (рис. 9а, б соответственно) в исследование МКЭ включали БЛ от 1 до 7 мм, поэтому оптимальные диапазоны ТЛ составили от 26,9 до 28,7 мм (диапазон 1,8 мм) и от 27,9 до 29,2 мм (диапазон 1,3 мм).) ), соответственно.Для асимметричных скатов (рис. 9а) оптимальная TL возрастала линейно, выходя на плато при BL 4 мм, а затем резко снижалась от BL 5 до 7 мм.Для осесимметричных скатов (рис. 9б) оптимальная TL линейно возрастает с удлинением BL и окончательно стабилизируется на BL от 6 до 7 мм.Расширенное исследование осесимметричных склонов (рис. 9в) показало иной набор оптимальных ЛЭ, расположенных на расстоянии \(\приблизительно) 35,1–37,1 мм.Для всех BL расстояние между двумя наборами оптимальных TL составляет \(\approx\) 8 мм (эквивалентно \(\lambda _y/2\)).
Ланцетная подвижность передачи на частоте 29,75 кГц.Трубку иглы изгибали с частотой 29,75 кГц, вибрацию измеряли на конце и выражали как величину передаваемой механической подвижности (дБ относительно максимального значения) для TL 26,5-29,5 мм (шаг 0,1 мм).
Параметрические исследования МКЭ на частоте 29,75 кГц показывают, что на передаточную подвижность осесимметричного наконечника меньше влияет изменение длины трубки, чем его асимметричного аналога.Исследования длины скоса (BL) и длины трубы (TL) для асимметричной (a) и осесимметричной (b, c) геометрии скоса в исследованиях частотной области с использованием FEM (граничные условия показаны на рисунке 2).(а, б) TL составлял от 26,5 до 29,5 мм (шаг 0,1 мм), BL 1–7 мм (шаг 0,5 мм).(c) Расширенное исследование осесимметричного косого угла, включая TL 25–40 мм (шаг 0,05 мм) и 0,1–7 мм (шаг 0,1 мм), которое показывает желаемое соотношение \(\lambda_y/2\). Свободно движущиеся граничные условия для наконечника удовлетворены.
Игольчатая структура имеет три собственные частоты \(f_{1-3}\), разделенные на низкие, средние и высокие модальные области, как показано в таблице 1. Размер PTE показан на рисунке 10, а затем проанализирован на рисунке 11. Ниже приведены результаты для каждой модальной области:
Типичные зарегистрированные амплитуды мгновенного КПД передачи мощности (PTE), полученные с использованием синусоидального возбуждения с частотой качания на глубине 20 мм для ланцета (L) и осесимметричных наклонов AX1-3 в воздухе, воде и желатине.Показан односторонний спектр.Измеренная частотная характеристика (частота дискретизации 300 кГц) была подвергнута низкочастотной фильтрации, а затем субдискретизирована в 200 раз для модального анализа.Отношение сигнал/шум составляет \(\le\) 45 дБ.Фаза PTE (фиолетовая пунктирная линия) показана в градусах (\(^{\circ}\)).
Анализ модального отклика показан на рисунке 10 (среднее ± стандартное отклонение, n = 5) для наклонов L и AX1-3 в воздухе, воде и 10% желатина (глубина 20 мм) с (вверху) тремя модальными областями (низкий уровень). , средней высоты).) и соответствующие им модальные частоты\(f_{1-3}\) (кГц), (средняя) энергоэффективность\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) используют расчетные уравнения.(4) и (внизу) — полная ширина при половине максимального измеренного значения \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Гц) соответственно.Обратите внимание, что при записи низкого PTE, т. е. в случае наклона AX2, измерение полосы пропускания опускается, \(\text {FWHM}_{1}\).Режим \(f_2\) считается наиболее подходящим для сравнения прогиба наклонных плоскостей, так как демонстрирует наивысший уровень эффективности передачи мощности (\(\text {PTE}_{2}\)), до 99% .
Первая модальная область: \(f_1\) не сильно зависит от типа вставленного носителя, но зависит от геометрии фаски.\(f_1\) уменьшается с уменьшением длины скоса (27,1, 26,2 и 25,9 кГц для АХ1-3 соответственно в воздухе).Средние региональные значения \(\text {PTE}_{1}\) и \(\text {FWHM}_{1}\) составляют \(\приблизительно\) 81 % и 230 Гц соответственно.\(\text {FWHM}_{1}\) было самым высоким содержанием желатина по данным журнала Lancet (L, 473 Гц).Обратите внимание, что \(\text {FWHM}_{1}\) для AX2 в желатине невозможно оценить из-за низкой величины зарегистрированных частотных характеристик.
Вторая модальная область: \(f_2\) зависит от типа пасты и носителя для фаски.В воздухе, воде и желатине средние значения \(f_2\) составляют 29,1, 27,9 и 28,5 кГц соответственно.PTE для этого модального региона также достиг 99 %, что является самым высоким показателем среди всех групп измерений, при среднем значении по региону 84 %.Средняя частота по области \(\text {FWHM}_{2}\) составляет \(\приблизительно\) 910 Гц.
Третья модальная область: \(f_3\) Частота зависит от типа вставной среды и фаски.Средние значения \(f_3\) составляют 32,0, 31,0 и 31,3 кГц в воздухе, воде и желатине соответственно.\(\text {PTE}_{3}\) имеет средний региональный показатель \(\приблизительно\) 74 %, что является самым низким показателем среди всех регионов.Среднее значение по региону \(\text {FWHM}_{3}\) составляет \(\приблизительно\) 1085 Гц, что выше, чем в первом и втором регионах.
Нижеследующее относится к рис.12 и табл. 2. Сильнее всего (с высокой значимостью для всех кончиков, \(p<\) 0,017) отклонялся ланцет (L) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/ W в воздухе). 12 и табл. 2. Сильнее всего (с высокой значимостью для всех кончиков, \(p<\) 0,017) отклонялся ланцет (L) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/ W в воздухе). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой открытостью для всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в атмосфере, так и в воде (рис. 12а), достигнув самого высокого уровня DPR. . Следующее применимо к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью для всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR.(до 220 мкм/Вт на воздухе).См. рисунок 12 и таблицу 2 ниже.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 мкм/Вт).柳叶刀(L) имеет наибольшее отклонение в воздухе и воде (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017) и достигает самого высокого DPR (до 220 мкм/ W в воздухе). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма исхода для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) ланцет (L) имеет в воздухе и воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт на воздухе). В воздухе AX1, который имел более высокий BL, отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (который имел самый низкий BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. В воздухе AX1, который имел более высокий BL, отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (который имел самый низкий BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со оригинальностью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. На воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт.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）的偏转大于AX2, DPR — 190 мкм/Вт. На воздухе прогиб АХ1 с более высоким БЛ выше, чем у АХ2-3 (достоверно, \(p<\) 0,017), а прогиб АХ3 (с наименьшим БЛ) выше, чем у АХ2, DPR составляет 190 мкм/Вт. В 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. В воздухе AX1 с более высоким BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимое, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) имеет большее отклонение, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. В воде на глубине 20 мм достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ПТЭ для AX1–3 обнаружено не было. В воде на глубине 20 мм достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ПТЭ для AX1–3 обнаружено не было. В воде на территории Турции 20 мм последовательных изображений (\(p>\) 0,017) по прогибу и ФТР для AX1–3 не обнаружено. В воде на глубине 20 мм обнаружены достоверные различия (\(p>\) 0,017) в прогибе и FTR для AX1–3.20 мм, AX1-3, PTE, 没有显着, 差异(\(p>\) 0,017). В 20 мм воды существенной разницы между AX1-3 и PTE не было (\(p>\) 0,017). На 20 мм прогиб и значения PTE AX1-3 не отличались (\(p>\) 0,017). На глубине 20 мм прогиб и ПТЭ АХ1-3 достоверно не различались (\(p>\) 0,017).Уровни ПТЭ в воде (90,2–98,4 %) в целом были выше, чем в воздухе (56–77,5 %) (рис. 12в), а в ходе эксперимента в воде отмечалось явление кавитации (рис. 13, см. также доп. информация).
Измерения амплитуды изгиба наконечника (среднее ± стандартное отклонение, n = 5) для фасок L и AX1-3 в воздухе и воде (глубина 20 мм) выявили эффект изменения геометрии фаски.Измерения проводятся с использованием непрерывного одночастотного синусоидального возбуждения.(a) Пиковое отклонение (\(u_y\vec {j}\)) в вершине, измеренное в (b) их соответствующих модальных частотах \(f_2\).(c) КПД передачи электроэнергии (PTE, rms, %) в виде уравнения.(4) и (d) Коэффициент мощности отклонения (DPR, мкм/Вт), рассчитанный как пиковое отклонение и мощность передачи \(P_T\) (Wrms).
Типичный теневой график высокоскоростной камеры, показывающий общее отклонение кончика ланцета (зеленые и красные пунктирные линии) ланцета (L) и осесимметричного кончика (AX1-3) в воде (глубина 20 мм), полупериод, частота возбуждения \(f_2\) (частота дискретизации 310 кГц).Захваченное изображение в оттенках серого имеет размеры 128×128 пикселей с размером пикселя \(\приблизительно) 5 мкм.Видео можно найти в дополнительной информации.
Таким образом, мы смоделировали изменение длины волны изгиба (рис. 7) и рассчитали механическую подвижность при переносе для обычных ланцетных, асимметричных и осевых сочетаний длины трубы и скоса (рис. 8, 9).Симметричная скошенная геометрия.Основываясь на последнем, мы оценили оптимальное расстояние между кончиком и сварным швом равным 43 мм (или \(\приблизительно\) 2,75\(\lambda_y\) при 29,75 кГц), как показано на рисунке 5, и изготовили три осесимметричных фаски с разная длина скоса.Затем мы охарактеризовали их частотные характеристики по сравнению с обычными ланцетами в воздухе, воде и 10% (мас./об.) баллистическом желатине (рис. 10, 11) и определили лучший случай для сравнения режима отклонения наклона.Наконец, мы измерили отклонение наконечника изгибной волной в воздухе и воде на глубине 20 мм и количественно оценили эффективность передачи мощности (PTE, %) и коэффициент мощности отклонения (DPR, мкм/Вт) впрыскиваемой среды для каждого наклона.тип (рис. 12).
Результаты показывают, что наклон оси геометрии влияет на амплитудное отклонение оси наконечника.Ланцет имел наибольшую кривизну, а также самый высокий DPR по сравнению с осесимметричным скосом, тогда как осесимметричный скос имел меньшее среднее отклонение (рис. 12). Иглы с осесимметричной фаской 4 мм (AX1), имеющие наибольшую длину фаски, достигли статистически значимого максимального отклонения на воздухе (\(p < 0,017\), Таблица 2) по сравнению с другими иглами с осесимметричной фаской (AX2–3). но существенных различий не наблюдалось, когда иглу помещали в воду. Иглы с осесимметричной фаской 4 мм (AX1), имеющие наибольшую длину фаски, достигли статистически значимого максимального отклонения на воздухе (\(p < 0,017\), Таблица 2) по сравнению с другими иглами с осесимметричной фаской (AX2–3). но существенных различий не наблюдалось, когда иглу помещали в воду. Осесимметричный скос 4 мм (АХ1), имеющий наибольшую длину скоса, достигал характеристики обнаружения наибольшего отклонения в пространстве (\(p<0,017\), таблица 2) по сравнению с другими осесимметричными иглами (АХ2–3). Осесимметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достигал статистически значимого большего отклонения на воздухе (\(p < 0,017\), таблица 2) по сравнению с другими иглами с осесимметричной фаской (AX2–3).но существенных различий при помещении иглы в воду не наблюдалось.与其他轴对称针(AX2-3) 相比，具有最长斜角长度的轴对称4 мм 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。 По сравнению с другими аксиально-симметричными иглами (AX2-3), она имеет самый длинный наклонный угол 4 мм аксиально-симметричной (AX1) в воздухе и достигает статистически значимого максимального отклонения (\(p < 0,017\), Таблица 2). , но когда иглу поместили в воду, существенной разницы не наблюдалось. Осесимметричный скос 4 мм (AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает характеристику максимального отклонения направления по сравнению с другими осесимметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), но существенной разницы не было. Осесимметричный скат с наибольшей длиной ската 4 мм (АХ1) обеспечивал статистически значимое максимальное отклонение на воздухе по сравнению с другими осесимметричными скатами (АХ2-3) (\(p < 0,017\), табл. 2), но не было обнаружено значимое различие.наблюдается при помещении иглы в воду.Таким образом, большая длина фаски не имеет очевидных преимуществ с точки зрения максимального отклонения кончика.С учетом этого оказывается, что геометрия откоса, который исследуется в данной работе, оказывает большее влияние на амплитуду прогиба, чем длина ската.Это может быть связано, например, с жесткостью на изгиб, в зависимости от сгибаемого материала и общей толщины строительной иглы.
В экспериментальных исследованиях на величину отраженной изгибной волны влияют граничные условия зонда.Когда кончик иглы был вставлен в воду и желатин, \(\text {PTE}_{2}\) усреднял \(\approx\) 95 % и \(\text {PTE}_{2}\) усреднял значения составляют 73% и 77% (\text {PTE}_{1}\) и \(\text {PTE}_{3}\) соответственно (рис. 11).Это указывает на то, что максимальная передача акустической энергии литейной среде (например, воде или желатину) происходит при \(f_2\).Подобное поведение наблюдалось и в предыдущем исследовании с использованием более простых структур устройства на частотах 41-43 кГц, где авторы продемонстрировали коэффициент отражения напряжения, связанный с механическим модулем интеркалированной среды.Глубина проникновения32 и механические свойства ткани создают механическую нагрузку на иглу и поэтому, как ожидается, будут влиять на резонансное поведение UZeFNAB.Следовательно, алгоритмы отслеживания резонанса, такие как 17, 18, 33, могут использоваться для оптимизации мощности звука, передаваемого через иглу.
Моделирование длины волны изгиба (рис. 7) показывает, что осесимметричный наконечник имеет более высокую структурную жесткость (т.е. более высокую жесткость при изгибе) на кончике, чем ланцетный и асимметричный фасочный.Исходя из (1) и используя известную зависимость скорости от частоты, оценим изгибную жесткость стрельчатого, асимметричного и осесимметричного наконечников как уклоны \(\приблизительно) 200, 20 и 1500 МПа соответственно.Это соответствует (\lambda _y\) 5,3, 1,7 и 14,2 мм на частоте 29,75 кГц соответственно (рис. 7а–в).Учитывая клиническую безопасность процедуры USeFNAB, необходимо оценить влияние геометрии на жесткость конструкции скоса34.
Исследование параметров скоса и длины трубки (рис. 9) показало, что оптимальный диапазон ТЛ для асимметричного (1,8 мм) выше, чем для осесимметричного скоса (1,3 мм).При этом плато подвижности составляет от 4 до 4,5 мм и от 6 до 7 мм при асимметричном и осесимметричном наклоне соответственно (рис. 9а, б).Практическая значимость этого открытия выражается в производственных допусках: например, более низкий диапазон оптимального TL может подразумевать необходимость более высокой точности длины.В то же время платформа урожайности обеспечивает больший допуск по выбору длины наклона при заданной частоте, не оказывая существенного влияния на урожайность.
Исследование включает в себя следующие ограничения.Прямое измерение отклонения иглы с использованием обнаружения края и высокоскоростной визуализации (рис. 12) означает, что мы ограничены оптически прозрачными средами, такими как воздух и вода.Также хотелось бы отметить, что мы не использовали эксперименты для проверки моделируемой подвижности переноса и наоборот, а использовали исследования методом МКЭ для определения оптимальной длины изготавливаемой иглы.С точки зрения практических ограничений длина ланцета от кончика до втулки на 0,4 см больше, чем у других игл (АХ1-3), см. рис.3б.Это могло повлиять на модальный отклик игольчатой структуры.Кроме того, форма и объем припоя выводов волновода (см. рисунок 3) могут влиять на механический импеданс конструкции штыря, что приводит к ошибкам в механическом импедансе и поведении при изгибе.
Наконец, мы экспериментально продемонстрировали, что геометрия скоса влияет на величину отклонения в USeFNAB.В ситуациях, когда более высокая амплитуда отклонения может положительно повлиять на воздействие иглы на ткань, например, на эффективность резания после прокола, для УЗеФНАБ можно рекомендовать обычный ланцет, поскольку он обеспечивает наибольшую амплитуду отклонения при сохранении достаточной жесткости. на кончике дизайна.Кроме того, недавнее исследование показало, что большее отклонение кончика может усилить биологические эффекты, такие как кавитация, что может помочь в разработке приложений для минимально инвазивных хирургических вмешательств.Учитывая, что увеличение общей акустической мощности, как было показано, увеличивает выход биопсии с помощью USeFNAB13, необходимы дальнейшие количественные исследования выхода и качества образцов для оценки детальной клинической пользы изучаемой геометрии иглы.
Фрэбл, В.Дж. Тонкоигольная аспирационная биопсия: обзор.Хм.Больной.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Время публикации: 13 октября 2022 г.