Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Medzitým, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, vykreslíme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Nedávno sa preukázalo, že použitie ultrazvuku zvyšuje výťažnosť tkaniva pri ultrazvukom asistovanej aspirácii jemnou ihlou (USeFNAB) v porovnaní s konvenčnou aspiráciou jemnou ihlou (FNAB).Vzťah medzi geometriou skosenia a pohybom hrotu nebol doteraz dôkladne študovaný.V tejto štúdii sme skúmali vlastnosti rezonancie ihly a amplitúdy vychýlenia pre rôzne geometrie skosenia ihly s rôznymi dĺžkami skosenia.Pri použití bežnej 3,9 mm skosenej lancety bol výkonový faktor vychýlenia hrotu (DPR) vo vzduchu a vode 220 a 105 µm/W.To je vyššie ako osovo symetrický 4 mm skosený hrot, ktorý poskytuje 180 a 80 µm/W DPR vo vzduchu a vo vode.Táto štúdia zdôrazňuje dôležitosť vzťahu medzi tuhosťou v ohybe geometrie skosenia v kontexte rôznych spôsobov vkladania, a preto môže poskytnúť prehľad o metódach riadenia činnosti rezania po prepichnutí zmenou geometrie skosenia ihly, čo je dôležité.pre aplikáciu USeFNAB je rozhodujúca.
Aspiračná biopsia tenkou ihlou (FNA) je metóda získavania vzoriek tkaniva pre podozrenie na patológiu1,2,3 pomocou ihly.Ukázalo sa, že hrot Franseen poskytuje vyšší diagnostický výkon ako bežné hroty lancet4 a Menghini5.Na zvýšenie pravdepodobnosti histopatologicky adekvátnych vzoriek sa odporúča aj osovo symetrické (tj obvodové) sklony.
Počas biopsie sa ihla vedie cez vrstvy kože a tkaniva, aby sa získal prístup k podozrivým léziám.Nedávne štúdie ukázali, že ultrazvuk môže znížiť penetračnú silu potrebnú na prístup k mäkkým tkanivám7,8,9,10.Ukázalo sa, že geometria skosenia ihly ovplyvňuje sily interakcie ihly, napríklad sa ukázalo, že dlhšie skosenia majú nižšie sily prenikajúce do tkaniva11.Po preniknutí ihly do povrchu tkaniva, tj po prepichnutí, môže byť sila rezu ihly 75 % sily interakcie ihly s tkanivom12.Ukázalo sa, že vo fáze po punkcii ultrazvuk (ultrazvuk) zvyšuje účinnosť diagnostickej biopsie mäkkých tkanív.Na odber vzoriek tvrdého tkaniva boli vyvinuté ďalšie techniky kostnej biopsie vylepšené ultrazvukom, ale neboli zaznamenané žiadne výsledky, ktoré by zlepšili výťažok biopsie.Početné štúdie tiež potvrdili, že mechanické posunutie sa zvyšuje, keď je vystavené ultrazvukovému namáhaniu16,17,18.Zatiaľ čo existuje veľa štúdií o axiálnych (pozdĺžnych) statických silách v interakciách ihla-tkanivo19,20, existujú obmedzené štúdie o časovej dynamike a geometrii skosenia ihly pod ultrazvukovým FNAB (USEFNAB).
Cieľom tejto štúdie bolo preskúmať vplyv rôznych geometrií skosenia na pohyb hrotu ihly v ihle poháňanej ultrazvukovým ohýbaním.Konkrétne sme skúmali účinok injekčného média na vychýlenie hrotu ihly po prepichnutí pre tradičné skosenie ihly (tj ihly USeFNAB na rôzne účely, ako je selektívna aspirácia alebo získavanie mäkkých tkanív.
Do tejto štúdie boli zahrnuté rôzne geometrie skosenia.(a) Špecifikácia Lancet je v súlade s normou ISO 7864:201636, kde \(\alpha\) je primárne skosenie, \(\theta\) je uhol natočenia sekundárneho skosenia a \(\phi\) je sekundárne skosenie uhol., pri otáčaní v stupňoch (\(^\circ\)).(b) Lineárne asymetrické jednostupňové skosenia (nazývané „štandardné“ v DIN 13097:201937) a (c) Lineárne osovo symetrické (obvodové) jednostupňové skosenia.
Náš prístup začína modelovaním zmeny vlnovej dĺžky ohybu pozdĺž skosenia pre konvenčné lancety, osovo symetrické a asymetrické jednostupňové geometrie skosenia.Potom sme vypočítali parametrickú štúdiu, aby sme preskúmali vplyv sklonu a dĺžky potrubia na mechanickú plynulosť prenosu.To je potrebné na určenie optimálnej dĺžky na výrobu prototypovej ihly.Na základe simulácie boli vyrobené prototypy ihiel a ich rezonančné správanie bolo experimentálne charakterizované meraním koeficientov odrazu napätia a výpočtom účinnosti prenosu energie vo vzduchu, vode a 10 % (w/v) balistickej želatíne, z čoho bola určená pracovná frekvencia .Nakoniec sa vysokorýchlostné zobrazovanie používa na priame meranie vychýlenia ohybovej vlny na špičke ihly vo vzduchu a vode, ako aj na odhad elektrického výkonu dodávaného v každom šikmom uhle a geometrie pomeru výkonu vychýlenia ( DPR) do vstreknutého média..
Ako je znázornené na obrázku 2a, použite trubicu s kalibrom 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, hrúbka steny trubice 0,155 mm, štandardná stena) na definovanie trubice ihly s dĺžkou trubice (TL) a uhlom skosenia (BL) v súlade s ISO 9626:201621) z nehrdzavejúcej ocele 316 (Youngov modul 205 \(\text {GN/m}^{2}\), hustota 8070 kg/m\(^{3}\) a Poissonov pomer 0,275 ).
Určenie ohybovej vlnovej dĺžky a ladenie modelu konečných prvkov (MKP) pre ihličkové a okrajové podmienky.a) Určenie dĺžky skosenia (BL) a dĺžky potrubia (TL).(b) Trojrozmerný (3D) model konečných prvkov (MKP) využívajúci silu harmonického bodu \(\tilde{F}_y\vec {j}\) na proximálne poháňanie ihly, vychýlenie bodu a meranie rýchlosti v hrot (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) na výpočet prenosu mechanickej tekutosti.\(\lambda _y\) je definovaná ako vlnová dĺžka ohybu vzhľadom na vertikálnu silu \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definície ťažiska, plochy prierezu A a momentov zotrvačnosti \(I_{xx}\) a \(I_{yy}\) okolo osi x a y.
Ako je znázornené na obr.2b,c, pre nekonečný (nekonečný) lúč s plochou prierezu A a pri vlnovej dĺžke väčšej ako je veľkosť prierezu lúča je ohnutá (alebo ohnutá) fázová rýchlosť \( c_{EI }\) určená 22 :
kde E je Youngov modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je uhlová frekvencia budenia (rad/s), kde \( f_0 \ ) je lineárna frekvencia (1/s alebo Hz), I je moment zotrvačnosti oblasti okolo osi záujmu\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) je hmotnosť na jednotku dĺžky (kg/m), kde \(\rho _0\) je hustota\((\text {kg/m}^{3})\) a A je kríž rez oblasťou lúča (rovina xy) (\(\ text {m}^{2}\)).Keďže sila aplikovaná v našom príklade je rovnobežná so zvislou osou y, tj \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zaujíma nás len regionálny moment zotrvačnosti okolo horizontálnej osi x, tj \(I_{xx}\), takže:
Pre model konečných prvkov (MKP) sa predpokladá čisté harmonické posunutie (m), takže zrýchlenie (\(\text {m/s}^{2}\)) je vyjadrené ako \(\čiastočné ^2 \vec { u}/ \ čiastočné t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) ako \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) je trojrozmerný vektor posunutia daný v priestorových súradniciach.Namiesto posledne menovaného je v súlade s jeho implementáciou v softvérovom balíku COMSOL Multiphysics (verzie 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA) daná konečná deformačná Lagrangiánska forma zákona o rovnováhe hybnosti takto:
kde \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je operátor divergencie tenzora, \({\podčiarknutie{\sigma}}}\) je druhý Piola-Kirchhoffov tenzor napätia (druhý rád, \(\ text { N/ m}^{2}\)) a \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) je vektor sily tela (\(\text {N/m}^{3}\)) pre každý deformovaný objem a \(e^{j\phi }\) je vektor fázového uhla\(\ phi \ ) (rád).V našom prípade je objemová sila telesa nulová, náš model predpokladá geometrickú linearitu a malú čisto elastickú deformáciu, tj , kde \({\podčiarknuť{\varepsilon}}^{el}\) a \({\podčiarknuť {\varepsilon}}\) sú elastické deformácie a celkové deformácie (druhého rádu, bezrozmerné).Hookov konštitutívny izotropný tenzor pružnosti \(\underline{\underline{C}}\) sa vypočíta pomocou Youngovho modulu E (\(\text {N/m}^{2}\)) a určí sa Poissonov pomer v, takže tzn. \(\podčiarknuť{\podčiarknuť{C}}:=\podčiarknuť{\podčiarknuť{C}}(E,v)\) (štvrtý rád).Takže výpočet napätia sa stáva \({\podčiarknuť{\sigma}} := \podčiarknuť{\podčiarknuť{C}}:{\podčiarknuť{\varepsilon}}\).
Výpočet používa 10-uzlový štvorsten s veľkosťou prvku \(\le\) 8 µm.Ihla je modelovaná vo vákuu a hodnota prenesenej mechanickej pohyblivosti (ms-1 N-1) je definovaná ako \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, kde \(\tilde{v}_y\vec {j}\) je výstupná komplexná rýchlosť násadca a \( \ tilde {F}_y\ vec {j}\) je komplexná hnacia sila umiestnená na proximálnom konci trubice, ako je znázornené na obrázku 2b.Preložte mechanickú tekutosť v decibeloch (dB) pomocou maximálnej hodnoty ako referencie, tj \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Všetky FEM štúdie sa uskutočňovali pri frekvencii 29,75 kHz.
Konštrukcia ihly (obr. 3) pozostáva z bežnej 21-gauge hypodermickej ihly (kat. č. 4665643, Sterican\(^\circledR\), vonkajší priemer 0,8 mm, dĺžka 120 mm, AISI 304 nerez chróm-nikel oceľ , B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Nemecko) vybavený plastovým puzdrom Luer Lock vyrobeným z polypropylénu na proximálnom konci a vhodne upraveným na konci.Ihlová trubica je prispájkovaná k vlnovodu, ako je znázornené na obr. 3b.Vlnovody boli vytlačené na 3D tlačiarni z nehrdzavejúcej ocele (nehrdzavejúca oceľ EOS 316L na 3D tlačiarni EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Fínsko) a následne pripevnené k senzoru Langevin pomocou skrutiek M4.Langevinov senzor pozostáva z 8 piezoelektrických prstencových prvkov zaťažených na oboch koncoch dvoma hmotami.
Štyri typy hrotov (foto), komerčne dostupná lanceta (L) a tri vyrábané osovo symetrické jednostupňové úkosy (AX1-3) boli charakterizované dĺžkami úkosu (BL) 4, 1,2 a 0,5 mm.a) Detailný záber na hotový hrot ihly.(b) Pohľad zhora na štyri kolíky prispájkované k 3D tlačenému vlnovodu a potom pripojené k senzoru Langevin pomocou skrutiek M4.
Boli vyrobené tri osovo symetrické skosené hroty (obr. 3) (TAs Machine Tools Oy) s dĺžkami skosenia (BL, ako je definované na obr. 2a) 4,0, 1,2 a 0,5 mm, čo zodpovedá \(\cca) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) a 18\(^\circ\).Hmotnosť vlnovodu a ihly je 3,4 ± 0,017 g (priemer ± sd, n = 4) pre úkosy L a AX1-3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Nemecko) .Pre úkosy L a AX1-3 na obrázku 3b bola celková dĺžka od špičky ihly po koniec plastovej objímky 13,7, 13,3, 13,3 a 13,3 cm.
Pre všetky konfigurácie ihly bola dĺžka od špičky ihly po špičku vlnovodu (tj po oblasť zvaru) 4,3 cm a trubica ihly bola orientovaná rezom nahor (tj rovnobežne s osou Y). , ako je znázornené na obrázku.c (obr. 2).
Vlastný skript v MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) spustený na počítači (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) sa použil na generovanie lineárneho sínusového priebehu od 25 do 35 kHz počas 7 sekúnd, prechod Digitálno-analógový (DA) prevodník (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA) konvertuje na analógový signál.Analógový signál \(V_0\) (0,5 Vp-p) bol potom zosilnený špeciálnym rádiofrekvenčným (RF) zosilňovačom (Mariachi Oy, Turku, Fínsko).Klesajúce zosilnené napätie \({V_I}\) z VF zosilňovača s výstupnou impedanciou 50 ohmov je privedené do transformátora zabudovaného v štruktúre ihly so vstupnou impedanciou 50 ohmov.Langevinove meniče (predné a zadné vysokovýkonné viacvrstvové piezoelektrické meniče) sa používajú na generovanie mechanických vĺn.Vlastný RF zosilňovač je vybavený dvojkanálovým meračom účinníka stojatej vlny (SWR), ktorý zaznamenáva dopadové \({V_I}\) a odrazené zosilnené napätie\(V_R\) v analógovo-digitálnom (AD) režime.so vzorkovacou frekvenciou 300 kHz prevodník (analógový Discovery 2).Budiaci signál je na začiatku a na konci amplitúdovo modulovaný, aby sa zabránilo preťaženiu vstupu zosilňovača prechodnými javmi.
Pomocou vlastného skriptu implementovaného v MATLABu bola funkcia frekvenčnej odozvy (FRF), teda \(\tilde{H}(f)\), odhadnutá offline pomocou metódy merania dvojkanálového sínusového rozmietania (obr. 4), ktorá predpokladá linearita v čase.invariantný systém.Okrem toho je aplikovaný 20 až 40 kHz pásmový filter na odstránenie nežiaducich frekvencií zo signálu.S odvolaním sa na teóriu prenosových vedení je v tomto prípade \(\tilde{H}(f)\) ekvivalentné koeficientu odrazu napätia, tj \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) sa zníži na \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) sa rovná \(|\rho _{V}|^2\).V prípadoch, keď sa požadujú absolútne hodnoty elektrického výkonu, dopadajúci výkon \(P_I\) a odrazený výkon \(P_R\) výkon (W) sa vypočítajú tak, že sa vezme napríklad efektívna hodnota (rms) zodpovedajúceho napätia.pre prenosové vedenie so sínusovým budením \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, kde \(Z_0\) sa rovná 50 \(\Omega\).Elektrický výkon dodávaný do záťaže \(P_T\) (tj vložené médium) možno vypočítať ako \(|P_I – P_R |\) (W RMS), ako aj účinnosť prenosu energie (PTE) a percento ( %) možno určiť, ako je daný tvar, takže 27:
Ihlicovité modálne frekvencie \(f_{1-3}\) (kHz) a ich zodpovedajúce koeficienty prenosu energie \(\text {PTE}_{1{-}3} \) sa potom odhadnú pomocou FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) odhadnutý priamo z \(\text {PTE}_{1{-}3}\), z tabuľky 1 A jednostranný lineárne spektrum sa získa pri opísanej modálnej frekvencii \(f_{1-3}\).
Meranie frekvenčnej odozvy (AFC) ihlových štruktúr.Na získanie funkcie frekvenčnej odozvy \(\tilde{H}(f)\) a jej impulznej odozvy H(t) sa používa sínusové dvojkanálové meranie 25,38.\({\mathcal {F}}\) a \({\mathcal {F}}^{-1}\) predstavujú Fourierovu transformáciu digitálneho skrátenia a jej inverznú hodnotu.\(\tilde{G}(f)\) znamená súčin dvoch signálov vo frekvenčnej oblasti, napr. \(\tilde{G}_{XrX}\) znamená súčin inverzného skenovania\(\tilde{ X} r (f)\ ) a poklesové napätie \(\tilde{X}(f)\).
Ako je znázornené na obrázku 5, vysokorýchlostná kamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) je vybavená makro objektívom (MP-E 65 mm, \(f\)/2,8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokio, Japonsko), na zaznamenávanie vychýlenia hrotu počas ohybovej excitácie (jednofrekvenčná, spojitá sínusoida) pri frekvenciách 27,5-30 kHz.Na vytvorenie tieňovej mapy bol za hrot ihly umiestnený chladený prvok bielej LED s vysokou intenzitou (číslo dielu: 4052899910881, biela LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Nemecko).
Pohľad spredu na experimentálnu zostavu.Hĺbka sa meria od povrchu média.Štruktúra ihly je upnutá a namontovaná na motorizovanom prenosovom stole.Na meranie šikmej odchýlky uhla použite vysokorýchlostnú kameru s objektívom s vysokým zväčšením (5\(\x\)).Všetky rozmery sú v milimetroch.
Pre každý typ skosenia ihly sme zaznamenali 300 snímok vysokorýchlostnej kamery s rozmermi 128 \(\x\) 128 pixelov, každý s priestorovým rozlíšením 1/180 mm (\(\cca) 5 µm), s časové rozlíšenie 310 000 snímok za sekundu.Ako je znázornené na obrázku 6, každý rám (1) je orezaný (2) tak, že hrot ihly je v poslednom riadku (spodnej časti) rámu a vypočíta sa histogram obrazu (3), takže Canny možno určiť prahové hodnoty 1 a 2.Potom použite Cannyho detekciu hrán 28(4) so Sobelovým operátorom 3 \(\times\) 3 a vypočítajte pozície pre nehypotenózne pixely (označené \(\mathbf {\times }\)) bez kavitácie 300 časových krokov.Na určenie rozsahu vychýlenia hrotu vypočítajte deriváciu (pomocou algoritmu centrálnej diferencie) (6) a určte rámec (7), ktorý obsahuje miestne extrémy (tj vrchol) vychýlenia.Po vizuálnej kontrole hrany bez kavitácie sa vybrala dvojica snímok (alebo dva snímky s intervalom polčasu) (7) a zmerala sa priehyb hrotu (označený ako \(\mathbf {\times }). \) ).Vyššie uvedené je implementované v Pythone (v3.8, Python Software Foundation, python.org) pomocou algoritmu detekcie hrán OpenCV Canny (v4.5.1, open source knižnica počítačového videnia, opencv.org).Nakoniec sa vypočíta výkonový faktor vychýlenia (DPR, µm/W) ako pomer medzi špičkou a špičkou k prenášanému elektrickému výkonu \(P_T\) (Wrms).
Pomocou 7-krokového algoritmu (1-7), vrátane orezania (1-2), detekcie Cannyho hrán (3-4), výpočtu, zmerajte polohu pixelov okraja vychýlenia hrotu pomocou série snímok získaných z vysoko rýchlostná kamera na 310 kHz ( 5) a jej časová derivácia (6) a nakoniec sa meria rozsah vychýlenia hrotu na vizuálne kontrolovaných pároch snímok (7).
Merané na vzduchu (22,4-22,9 °C), deionizovanej vode (20,8-21,5 °C) a 10 % (w/v) vodnej balistickej želatíne (19,7-23,0 °C, \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatína z hovädzích a bravčových kostí pre balistickú analýzu typu I, Honeywell International, Severná Karolína, USA).Teplota sa merala pomocou termočlánkového zosilňovača typu K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) a termočlánku typu K (Fluke 80PK-1 Bead Probe č. 3648 typ-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Použite vertikálny motorizovaný stolík osi Z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litva) na meranie hĺbky od povrchu média (nastaveného ako začiatok osi Z) s rozlíšením 5 µm na krok.
Keďže veľkosť vzorky bola malá (n = 5) a nebolo možné predpokladať normalitu, použil sa dvojvzorkový dvojstranný Wilcoxonov rank sum test (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). na porovnanie množstva variácie hrotu ihly pre rôzne skosenia.Pre každý sklon sa uskutočnili tri porovnania, takže sa použila Bonferroniho korekcia s upravenou hladinou významnosti 0,017 a chybovosťou 5 %.
Odkazuje sa na obr. 7 nižšie.Pri 29,75 kHz je zakrivená polovičná vlnová dĺžka (\(\lambda _y/2\)) 21-gauge ihly \(\približne) 8 mm.Vlnová dĺžka ohybu klesá pozdĺž svahu, keď sa blíži k hrotu.Na hrote \(\lambda _y/2\) sú stupňovité skosenia 3, 1 a 7 mm, v tomto poradí, pre obyčajné lancety (a), asymetrické (b) a osovo symetrické (c).To znamená, že lanceta sa bude líšiť o \(\asi\) 5 mm (v dôsledku skutočnosti, že dve roviny lancety tvoria bod 29,30), asymetrický sklon sa bude líšiť o 7 mm a symetrický sklon o 1 mm.Osovo symetrické svahy (ťažisko zostáva rovnaké, takže pozdĺž svahu sa v skutočnosti mení iba hrúbka steny).
Aplikácia štúdie MKP pri 29,75 kHz a rovnice.(1) Vypočítajte zmenu polvlny ohybu (\(\lambda _y/2\)) pre lancetu (a), asymetrickú (b) a osovo symetrickú (c) šikmú geometriu (ako na obr. 1a,b,c).).Priemer \(\lambda_y/2\) pre lancetu, asymetrický a osovo symetrický sklon je 5,65, 5,17 a 7,52 mm.Všimnite si, že hrúbka hrotu pre asymetrické a osovo symetrické skosenia je obmedzená na \(\cca) 50 µm.
Špičková pohyblivosť \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je kombináciou optimálnej dĺžky trubice (TL) a dĺžky sklonu (BL) (obr. 8, 9).Pre konvenčnú lancetu, keďže jej veľkosť je pevná, je optimálna TL \(\cca\) 29,1 mm (obr. 8).Pre asymetrické a osovo symetrické sklony (obr. 9a, resp. b) štúdia FEM zahŕňala BL od 1 do 7 mm, takže optimálne rozsahy TL boli od 26,9 do 28,7 mm (rozsah 1,8 mm) a od 27,9 do 29,2 mm (rozsah 1,3 mm).)), resp.Pre asymetrické sklony (obr. 9a) sa optimálna TL zvýšila lineárne, pričom dosiahla plató pri BL 4 mm, a potom prudko klesla z BL 5 na 7 mm.Pre osovo symetrické sklony (obr. 9b) sa optimálna TL lineárne zvyšuje s predĺžením BL a nakoniec sa stabilizuje na BL od 6 do 7 mm.Rozšírená štúdia osovo symetrických svahov (obr. 9c) ukázala odlišný súbor optimálnych TL umiestnených pri \(\približne) 35,1–37,1 mm.Pre všetky BL je vzdialenosť medzi dvoma sadami optimálnych TL \(\cca\) 8 mm (ekvivalent \(\lambda _y/2\)).
Mobilita prenosu lancety pri 29,75 kHz.Rúrka ihly sa ohýbala pri frekvencii 29,75 kHz, vibrácie sa merali na konci a vyjadrili sa ako množstvo prenesenej mechanickej pohyblivosti (dB vzhľadom na maximálnu hodnotu) pre TL 26,5-29,5 mm (0,1 mm krok).
Parametrické štúdie MKP pri frekvencii 29,75 kHz ukazujú, že prenosová pohyblivosť osovo symetrického hrotu je menej ovplyvnená zmenami dĺžky trubice ako jej asymetrický náprotivok.Štúdie dĺžky skosenia (BL) a dĺžky potrubia (TL) pre asymetrické (a) a osovo symetrické (b, c) geometrie skosenia v štúdiách frekvenčnej domény s použitím FEM (okrajové podmienky sú znázornené na obrázku 2).(a, b) TL sa pohybovala od 26,5 do 29,5 mm (0,1 mm krok) a BL 1-7 mm (0,5 mm krok).(c) Rozšírená osovo symetrická štúdia so šikmým uhlom vrátane TL 25-40 mm (krok 0,05 mm) a 0,1-7 mm (krok 0,1 mm), ktorá odhaľuje požadovaný pomer \(\lambda_y/2\) Voľne sa pohybujúce okrajové podmienky pre hrot sú splnené.
Štruktúra ihly má tri prirodzené frekvencie \(f_{1-3}\) rozdelené do oblastí s nízkou, strednou a vysokou modalitou, ako je znázornené v tabuľke 1. Veľkosť PTE je znázornená na obrázku 10 a potom analyzovaná na obrázku 11. Nižšie sú uvedené výsledky pre každú modálnu oblasť:
Typické zaznamenané amplitúdy okamžitej účinnosti prenosu energie (PTE) získané pomocou sínusového budenia s rozmietanou frekvenciou v hĺbke 20 mm pre lancetu (L) a osovo symetrické sklony AX1-3 vo vzduchu, vode a želatíne.Je zobrazené jednostranné spektrum.Nameraná frekvenčná odozva (vzorkovacia frekvencia 300 kHz) bola filtrovaná dolnou priepustou a potom prevzorkovaná o faktor 200 smerom nadol pre modálnu analýzu.Odstup signálu od šumu je \(\le\) 45 dB.Fáza PTE (fialová bodkovaná čiara) je znázornená v stupňoch (\(^{\circ}\)).
Analýza modálnej odozvy je znázornená na obrázku 10 (priemer ± štandardná odchýlka, n = 5) pre sklony L a AX1-3 vo vzduchu, vode a 10 % želatíne (hĺbka 20 mm) s (hore) tromi modálnymi oblasťami (nízka , stredne vysoko).), a ich zodpovedajúce modálne frekvencie\(f_{1-3}\) (kHz), (priemerná) energetická účinnosť\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) používa návrhové rovnice.(4) a (dole) predstavujú celú šírku pri polovici maximálnej nameranej hodnoty \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Všimnite si, že pri zaznamenávaní nízkeho PTE, tj v prípade sklonu AX2, sa meranie šírky pásma vynechá, \(\text {FWHM}_{1}\).Režim \(f_2\) sa považuje za najvhodnejší na porovnanie vychýlenia naklonených rovín, keďže vykazuje najvyššiu úroveň účinnosti prenosu výkonu (\(\text {PTE}_{2}\)), až 99 % .
Prvá modálna oblasť: \(f_1\) veľmi nezávisí od typu vloženého média, ale závisí od geometrie skosenia.\(f_1\) klesá s klesajúcou dĺžkou skosenia (27,1, 26,2 a 25,9 kHz pre AX1-3 vo vzduchu).Regionálne priemery \(\text {PTE}_{1}\) a \(\text {FWHM}_{1}\) sú \(\približne\) 81 % a 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) bol najvyšší v želatíne z Lancet (L, 473 Hz).Všimnite si, že \(\text {FWHM}_{1}\) pre AX2 v želatíne nemožno odhadnúť z dôvodu nízkej veľkosti hlásených frekvenčných odoziev.
Druhá modálna oblasť: \(f_2\) závisí od typu pasty a skoseného média.Vo vzduchu, vode a želatíne sú priemerné hodnoty \(f_2\) 29,1, 27,9 a 28,5 kHz.PTE pre tento modálny región tiež dosiahol 99 %, čo je najviac spomedzi všetkých meraných skupín, s regionálnym priemerom 84 %.Priemer oblasti \(\text {FWHM}_{2}\) je \(\cca\) 910 Hz.
Tretia modálna oblasť: \(f_3\) Frekvencia závisí od typu vkladacieho média a skosenia.Priemerné hodnoty \(f_3\) sú 32,0, 31,0 a 31,3 kHz vo vzduchu, vode a želatíne.\(\text {PTE}_{3}\) má regionálny priemer \(\približne\) 74 %, čo je najnižší zo všetkých regiónov.Regionálny priemer \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\približne\) 1085 Hz, čo je viac ako v prvom a druhom regióne.
Nasleduje odkaz na obr.12 a tabuľka 2. Lanceta (L) sa najviac vychýlila (s vysokou významnosťou pre všetky hroty, \(p<\) 0,017) vo vzduchu aj vo vode (obr. 12a), pričom dosiahla najvyššiu DPR (až 220 µm/ W vo vzduchu). 12 a tabuľka 2. Lanceta (L) sa najviac vychýlila (s vysokou významnosťou pre všetky hroty, \(p<\) 0,017) vo vzduchu aj vo vode (obr. 12a), pričom dosiahla najvyššiu DPR (až 220 µm/ W vo vzduchu). Следующее относится к рисунку 12 a таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (больше всего для всех наконечников, \(p<\) 0,017) как воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигогоЏса . Nasledujúce platí pre obrázok 12 a tabuľku 2. Lanceta (L) sa najviac vychýlila (s vysokou významnosťou pre všetky hroty, \(p<\) 0,017) vo vzduchu aj vo vode (obr. 12a), pričom dosiahla najvyššiu DPR .(do 220 μm/W vo vzduchu).Odkazuje sa na obrázok 12 a tabuľku 2 nižšie.柳叶刀 (L) 在空气和水中（图12a）中偏转最大（对所有尖端具有高具有高度愮7义.最高DPR （空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) má najväčšiu výchylku vo vzduchu a vode (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017) a dosiahol najvyššiu DPR (až 0 µm/2 W vo vzduchu). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконех наконечников, 07,01 де (рис. 12а), достигая самого высокого DPR (до 220 мкм/Вт воздухе). Najväčšiu odchýlku (veľmi významnú pre všetky hroty, \(p<\) 0,017) vo vzduchu a vo vode (obr. 12a) má lanceta (L), ktorá dosahuje najvyššiu DPR (až 220 µm/W vo vzduchu). Vo vzduchu sa AX1, ktorý mal vyššiu BL, vychýlil vyššie ako AX2–3 (s významom \(p<\) 0,017), zatiaľ čo AX3 (ktorý mal najnižšiu BL) sa vychýlil viac ako AX2 s DPR 190 µm/W. Vo vzduchu sa AX1, ktorý mal vyššiu BL, vychýlil vyššie ako AX2–3 (s významom \(p<\) 0,017), zatiaľ čo AX3 (ktorý mal najnižšiu BL) sa vychýlil viac ako AX2 s DPR 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью (p<1, стью), 3.0. AX, AX, 0 ым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Vo vzduchu sa AX1 s vyšším BL vychýlil vyššie ako AX2–3 (s významnosťou \(p<\) 0,017), zatiaľ čo AX3 (s najnižším BL) sa vychýlil viac ako AX2 s 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）：倌倌怼）：倌怼怼转大于AX2，DPR 为190 µm/W。 Vo vzduchu je výchylka AX1 s vyšším BL vyššia ako výchylka AX2-3 (výrazne \(p<\) 0,017) a výchylka AX3 (s najnižším BL) je vyššia ako výchylka AX2, DPR je 190 um/W. В воздухе AX1 с более высоким BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимо, \(p017), 07 мым низким BL) имеет большее отклонение, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Vo vzduchu má AX1 s vyšším BL väčšiu odchýlku ako AX2-3 (významná, \(p<\) 0,017), zatiaľ čo AX3 (s najnižším BL) má väčšiu odchýlku ako AX2 s DPR 190 μm/W. Vo vode pri 20 mm neboli zistené žiadne významné rozdiely (\(p>\) 0,017) v priehybe a PTE pre AX1–3. Vo vode pri 20 mm neboli zistené žiadne významné rozdiely (\(p>\) 0,017) v priehybe a PTE pre AX1–3. В воде на глубине 20 мм достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ФТббонеронернея Vo vode v hĺbke 20 mm boli zistené významné rozdiely (\(p>\) 0,017) v priehybe a FTR pre AX1–3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 V 20 mm vody nebol žiadny významný rozdiel medzi AX1-3 a PTE (\(p>\) 0,017). На глубине 20 мм прогиб a PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). V hĺbke 20 mm sa priehyb a PTE AX1-3 výrazne nelíšili (\(p>\) 0,017).Hladiny PTE vo vode (90,2 – 98,4 %) boli vo všeobecnosti vyššie ako vo vzduchu (56 – 77,5 %) (obr. 12c) a fenomén kavitácie bol zaznamenaný počas experimentu vo vode (obr. 13, pozri aj ďalšie informácie).
Merania amplitúdy ohybu hrotu (priemer ± štandardná odchýlka, n = 5) pre skosenie L a AX1-3 vo vzduchu a vo vode (hĺbka 20 mm) odhalili vplyv zmeny geometrie skosenia.Merania sa získavajú pomocou kontinuálneho jednofrekvenčného sínusového budenia.(a) Vrcholová odchýlka (\(u_y\vec {j}\)) vo vrchole, meraná pri (b) ich príslušných modálnych frekvenciách \(f_2\).(c) Účinnosť prenosu výkonu (PTE, rms, %) ako rovnica.(4) a (d) Faktor odchýlky výkonu (DPR, µm/W) vypočítaný ako špičková odchýlka a vysielací výkon \(P_T\) (Wrms).
Typický tieňový graf vysokorýchlostnej kamery zobrazujúci celkové vychýlenie hrotu lancety (zelené a červené bodkované čiary) lancety (L) a osovo symetrického hrotu (AX1-3) vo vode (hĺbka 20 mm), polovičný cyklus, frekvencia pohonu \(f_2\) (vzorkovacia frekvencia 310 kHz).Zachytený obrázok v odtieňoch sivej má rozmery 128×128 pixelov s veľkosťou pixelov \(\približne) 5 µm.Video nájdete v dodatočných informáciách.
Modelovali sme teda zmenu vlnovej dĺžky ohybu (obr. 7) a vypočítali mechanickú pohyblivosť na prenos pre konvenčné kopijovité, asymetrické a axiálne kombinácie dĺžky trubice a skosenia (obr. 8, 9).Symetrická skosená geometria.Na základe toho sme odhadli optimálnu vzdialenosť medzi hrotom a zvarom na 43 mm (alebo \(\cca\) 2,75\(\lambda_y\) pri 29,75 kHz), ako je znázornené na obrázku 5, a vyrobili sme tri osovo symetrické úkosy s rôzne dĺžky skosenia.Potom sme charakterizovali ich frekvenčné odozvy v porovnaní s konvenčnými lancetami vo vzduchu, vode a 10 % (w/v) balistickej želatíne (obrázky 10, 11) a určili sme najlepší prípad na porovnanie režimu vychýlenia sklonu.Nakoniec sme zmerali vychýlenie hrotu ohybovou vlnou vo vzduchu a vode v hĺbke 20 mm a kvantifikovali účinnosť prenosu výkonu (PTE, %) a vychýlenie výkonového faktora (DPR, µm/W) vstrekovaného média pre každý sklon.typu (obr. 12).
Výsledky ukazujú, že os naklonenia geometrie ovplyvňuje odchýlku amplitúdy osi hrotu.Lanceta mala v porovnaní s osovo symetrickým skosením najvyššie zakrivenie a aj najvyššiu DPR, pričom osovo symetrické skosenie malo menšiu strednú odchýlku (obr. 12). Osovo symetrické 4 mm skosenie (AX1) s najdlhšou dĺžkou skosenia, dosiahlo štatisticky významne najväčšiu výchylku na vzduchu (\(p < 0,017\), tabuľka 2), v porovnaní s inými osovo symetrickými ihlami (AX2–3), ale neboli pozorované žiadne významné rozdiely, keď bola ihla vložená do vody. Osovo symetrické 4 mm skosenie (AX1) s najdlhšou dĺžkou skosenia, dosiahlo štatisticky významne najväčšiu výchylku na vzduchu (\(p < 0,017\), tabuľka 2), v porovnaní s inými osovo symetrickými ihlami (AX2–3), ale neboli pozorované žiadne významné rozdiely, keď bola ihla vložená do vody. Осесимметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статисотио льшего отклонения воздухе (\(p <0,017\), таблица 2) по сравнению с другимыми осетирима Osovo symetrické skosenie 4 mm (AX1), ktoré má najdlhšiu dĺžku skosenia, dosiahlo štatisticky významne väčšiu odchýlku na vzduchu (\(p < 0,017\), tabuľka 2) v porovnaní s inými osovo symetrickými ihlami (AX2–3).ale významné rozdiely neboli pozorované pri umiestnení ihly do vody.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) 在矾䮡丞丮丆丞为殆着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时，没有观察到显着差异。 V porovnaní s inými osovo symetrickými ihlami (AX2-3) má vo vzduchu najdlhší šikmý uhol 4 mm osovo symetrický (AX1) a dosiahol štatisticky významné maximálne vychýlenie (\(p < 0,017\), tabuľka 2) , ale keď bola ihla vložená do vody, nebol pozorovaný žiadny významný rozdiel. Осесимметричный скос 4 мм (AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает статистически значимое максимальное отклонение в воздухе по сравнению с другими осесимметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), но существенной разницы не было. Osovo symetrický sklon s najdlhšou dĺžkou sklonu 4 mm (AX1) poskytol štatisticky významnú maximálnu odchýlku vo vzduchu v porovnaní s ostatnými osovo symetrickými sklonmi (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabuľka 2), ale nezistila sa veľký rozdiel.sa pozoruje, keď sa ihla vloží do vody.Väčšia dĺžka skosenia teda nemá žiadne zjavné výhody, pokiaľ ide o vrcholové vychýlenie hrotu.Ak to vezmeme do úvahy, ukazuje sa, že geometria svahu, ktorá je skúmaná v tejto štúdii, má väčší vplyv na vychýlenie amplitúdy ako dĺžka svahu.To môže súvisieť s tuhosťou v ohybe, napríklad v závislosti od ohýbaného materiálu a celkovej hrúbky konštrukčnej ihly.
V experimentálnych štúdiách je veľkosť odrazenej ohybovej vlny ovplyvnená okrajovými podmienkami hrotu.Keď bol hrot ihly vložený do vody a želatíny, \(\text {PTE}_{2}\) spriemeroval \(\cca\) 95 % a \(\text {PTE}_{2}\) spriemeroval hodnoty je 73 % a 77 % (\text {PTE}_{1}\) a \(\text {PTE}_{3}\) (obr. 11).To znamená, že maximálny prenos akustickej energie do odlievacieho média (napríklad vody alebo želatíny) nastáva pri \(f_2\).Podobné správanie bolo pozorované v predchádzajúcej štúdii s použitím jednoduchších štruktúr zariadení pri frekvenciách 41-43 kHz, kde autori preukázali koeficient odrazu napätia spojený s mechanickým modulom interkalovaného média.Hĺbka prieniku32 a mechanické vlastnosti tkaniva poskytujú mechanické zaťaženie ihly, a preto sa očakáva, že ovplyvnia rezonančné správanie UZeFNAB.Preto je možné použiť algoritmy sledovania rezonancie, ako napríklad 17, 18, 33, na optimalizáciu výkonu zvuku dodávaného cez stylus.
Modelovanie vlnovej dĺžky ohybu (obr. 7) ukazuje, že osovo symetrické má vyššiu štrukturálnu tuhosť (tj vyššiu ohybovú tuhosť) na hrote ako lanceta a asymetrické skosenie.Odvodením z (1) a použitím známeho vzťahu rýchlosť-frekvencia odhadujeme ohybovú tuhosť lancety, asymetrických a osovo symetrických hrotov ako sklon \(\približne) 200, 20 a 1500 MPa, v tomto poradí.To zodpovedá (\lambda _y\) 5,3, 1,7 a 14,2 mm pri 29,75 kHz (obr. 7a–c).Vzhľadom na klinickú bezpečnosť postupu USeFNAB je potrebné vyhodnotiť vplyv geometrie na tuhosť konštrukcie skosenia34.
Štúdium parametrov úkosu a dĺžky rúrky (obr. 9) ukázalo, že optimálny rozsah TL pre asymetrický (1,8 mm) bol vyšší ako pre osovo symetrický úkos (1,3 mm).Okrem toho sa pohyblivá plošina pohybuje od 4 do 4,5 mm a od 6 do 7 mm pre asymetrický a osovo symetrický sklon (obr. 9a, b).Praktický význam tohto zistenia je vyjadrený vo výrobných toleranciách, napríklad nižší rozsah optimálnej TL môže znamenať potrebu vyššej presnosti dĺžky.Výnosová platforma zároveň poskytuje väčšiu toleranciu pre voľbu dĺžky svahu pri danej frekvencii bez výrazného ovplyvnenia výnosu.
Štúdia zahŕňa nasledujúce obmedzenia.Priame meranie vychýlenia ihly pomocou detekcie hrán a vysokorýchlostného zobrazovania (obrázok 12) znamená, že sme obmedzení na opticky transparentné médiá, ako je vzduch a voda.Chceli by sme tiež upozorniť, že sme nepoužili experimenty na testovanie simulovanej prenosovej pohyblivosti a naopak, ale pomocou MKP štúdií sme určili optimálnu dĺžku vyrobenej ihly.Z hľadiska praktických obmedzení je dĺžka lancety od špičky po objímku o 0,4 cm dlhšia ako u iných ihiel (AX1-3), viď obr.3b.To mohlo ovplyvniť modálnu odpoveď ihličkovitej štruktúry.Okrem toho tvar a objem vlnovodu olovenej spájky (pozri obrázok 3) môže ovplyvniť mechanickú impedanciu konštrukcie kolíka, čo má za následok chyby v mechanickej impedancii a ohybe.
Nakoniec sme experimentálne preukázali, že geometria skosenia ovplyvňuje veľkosť vychýlenia v USeFNAB.V situáciách, keď vyššia amplitúda vychýlenia môže mať pozitívny vplyv na účinok ihly na tkanivo, napríklad účinnosť rezania po prepichnutí, možno pre USeFNAB odporučiť konvenčnú lancetu, pretože poskytuje najväčšiu amplitúdu vychýlenia pri zachovaní dostatočnej tuhosti. na špičke dizajnu.Okrem toho nedávna štúdia ukázala, že väčšie vychýlenie hrotu môže zvýšiť biologické účinky, ako je kavitácia, čo môže pomôcť pri vývoji aplikácií pre minimálne invazívne chirurgické zákroky.Vzhľadom na to, že sa ukázalo, že zvyšujúci sa celkový akustický výkon zvyšuje výťažok biopsie z USeFNAB13, sú potrebné ďalšie kvantitatívne štúdie výťažku a kvality vzorky na posúdenie podrobného klinického prínosu študovanej geometrie ihly.
Frable, WJ Aspiračná biopsia jemnou ihlou: prehľad.Humph.Chorý.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Čas odoslania: 13. októbra 2022