Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Da bi zagotovili nadaljnjo podporo, bomo medtem spletno mesto upodobili brez slogov in JavaScripta.
Nedavno je bilo dokazano, da uporaba ultrazvoka poveča izkoristek tkiva pri aspiraciji s tanko iglo s pomočjo ultrazvoka (USeFNAB) v primerjavi s konvencionalno aspiracijo s tanko iglo (FNAB).Do danes razmerje med geometrijo poševnice in gibanjem konice ni bilo temeljito raziskano.V tej študiji smo raziskali lastnosti resonance igle in amplitude odklona za različne geometrije poševnega naklona igle z različnimi dolžinami poševnega naklona.Z uporabo običajne 3,9 mm poševne lancete je bil faktor odklona konice (DPR) v zraku in vodi 220 oziroma 105 µm/W.To je višje od osno simetrične 4 mm poševne konice, ki zagotavlja 180 oziroma 80 µm/W DPR v zraku oziroma vodi.Ta študija poudarja pomembnost razmerja med upogibno togostjo geometrije poševnega roba v kontekstu različnih načinov vstavljanja in zato lahko zagotovi vpogled v metode za nadzor rezanja po prebadanju s spreminjanjem geometrije poševnega roba igle, kar je pomembno.za aplikacijo USeFNAB je ključnega pomena.
Aspiracijska biopsija s tanko iglo (FNA) je metoda pridobivanja vzorcev tkiva za domnevno patologijo1,2,3 z uporabo igle.Izkazalo se je, da konica Franseen zagotavlja večjo diagnostično učinkovitost kot običajne konice lancet4 in Menghini5.Za povečanje verjetnosti histopatološko ustreznih vzorcev so predlagani tudi osnosimetrični (tj. obodni) nakloni.
Med biopsijo se z iglo skozi plasti kože in tkiva pridobi dostop do sumljivih lezij.Nedavne študije so pokazale, da lahko ultrazvok zmanjša penetracijsko silo, potrebno za dostop do mehkih tkiv7,8,9,10.Pokazalo se je, da geometrija poševnega roba igle vpliva na sile medsebojnega delovanja igle, na primer dokazano je, da imajo daljši poševni rob manjše sile prodiranja v tkivo11.Po preboju igle na površino tkiva, torej po vbodu, lahko rezalna sila igle znaša 75 % sile interakcije igle s tkivom12.Dokazano je, da v postpunkcijski fazi ultrazvok (ultrazvok) poveča učinkovitost diagnostične biopsije mehkih tkiv.Za jemanje vzorcev trdega tkiva so bile razvite druge tehnike biopsije kosti, izboljšane z ultrazvokom, vendar niso poročali o rezultatih, ki bi izboljšali izkoristek biopsije.Številne študije so tudi potrdile, da se mehanski premik poveča, ko je izpostavljen ultrazvočnemu stresu16,17,18.Medtem ko obstaja veliko študij o aksialnih (vzdolžnih) statičnih silah pri interakcijah igle in tkiva 19, 20, so študije o časovni dinamiki in geometriji poševnega roba igle pod ultrazvočnim FNAB (USeFNAB) omejene.
Namen te študije je bil raziskati učinek različnih geometrij poševnega roba na gibanje konice igle v igli, ki jo poganja ultrazvočno upogibanje.Zlasti smo raziskali učinek medija za injiciranje na odklon konice igle po vbodu za tradicionalne poševne igle (tj. igle USeFNAB za različne namene, kot je selektivna aspiracija ali pridobivanje mehkih tkiv).
V to študijo so bile vključene različne poševne geometrije.(a) Specifikacija Lancet je skladna s standardom ISO 7864:201636, kjer je \(\alpha\) primarna poševnica, \(\theta\) rotacijski kot sekundarne poševnine in \(\phi\) sekundarna poševnica kota., pri vrtenju, v stopinjah (\(^\circ\)).(b) Linearni asimetrični enostopenjski posnetki (imenovani "standard" v DIN 13097:201937) in (c) Linearni osnosimetrični (obodni) enostopenjski posnetki.
Naš pristop se začne z modeliranjem spremembe upogibne valovne dolžine vzdolž poševnice za običajne lancetne, osnosimetrične in asimetrične enostopenjske poševne geometrije.Nato smo izračunali parametrično študijo, da bi preučili učinek naklona in dolžine cevi na mehansko fluidnost prenosa.To je potrebno za določitev optimalne dolžine za izdelavo prototipa igle.Na podlagi simulacije so bili izdelani prototipi igel in eksperimentalno karakterizirano njihovo resonančno obnašanje z merjenjem koeficientov refleksije napetosti in izračunom učinkovitosti prenosa moči v zraku, vodi in 10 % (w/v) balistični želatini, iz česar je bila določena delovna frekvenca. .Končno se slikanje z visoko hitrostjo uporablja za neposredno merjenje odklona upogibnega vala na konici igle v zraku in vodi ter za oceno električne moči, dovedene pod vsakim poševnim kotom, in geometrije razmerja moči odklona ( DPR) na vbrizgani medij..
Kot je prikazano na sliki 2a, uporabite cev kalibra 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, debelina stene cevi 0,155 mm, standardna stena), da določite cev igle z dolžino cevi (TL) in poševnim kotom (BL) v skladu z ISO 9626:201621) iz nerjavečega jekla 316 (Youngov modul 205 \(\text {GN/m}^{2}\), gostota 8070 kg/m\(^{3}\) in Poissonovo razmerje 0,275).
Določitev upogibne valovne dolžine in nastavitev modela končnih elementov (FEM) za igelne in robne pogoje.(a) Določitev poševne dolžine (BL) in dolžine cevi (TL).(b) Tridimenzionalni (3D) model končnih elementov (FEM), ki uporablja harmonično točkovno silo \(\tilde{F}_y\vec {j}\) za pogon igle proksimalno, odklon konice in merjenje hitrosti na tip (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) za izračun prenosa mehanske fluidnosti.\(\lambda _y\) je definirana kot upogibna valovna dolžina glede na navpično silo \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definicije težišča, površine prečnega prereza A in vztrajnostnih momentov \(I_{xx}\) in \(I_{yy}\) okoli osi x oziroma y.
Kot je prikazano na sl.2b,c, za neskončen (neskončen) žarek s površino prečnega prereza A in pri valovni dolžini, večji od velikosti prečnega prereza žarka, je upognjena (ali upognjena) fazna hitrost \( c_{EI }\) določena z 22 :
kjer je E Youngov modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je kotna frekvenca vzbujanja (rad/s), kjer \( f_0 \ ) je linearna frekvenca (1/s ali Hz), I je vztrajnostni moment območja okoli osi zanimanja\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) je masa na enoto dolžine (kg/m), kjer je \(\rho _0\) gostota\((\text {kg/m}^{3})\) in A je križ odsek območja žarka (ravnina xy) (\(\ besedilo {m}^{2}\)).Ker je sila, uporabljena v našem primeru, vzporedna z navpično osjo y, tj \(\tilde{F}_y\vec {j}\), nas zanima le regionalni vztrajnostni moment okoli vodoravne osi x, tj \(I_{xx}\), torej:
Za model končnih elementov (FEM) se predpostavlja čisti harmonični premik (m), zato je pospešek (\(\text {m/s}^{2}\)) izražen kot \(\partial ^2 \vec { u}/ \ delni t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) kot \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) je tridimenzionalni vektor premika, podan v prostorskih koordinatah.Namesto slednjega je v skladu z njegovo implementacijo v programskem paketu COMSOL Multiphysics (različice 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, ZDA) končna deformacijska Lagrangeva oblika zakona ravnotežja gibalne količine podana takole:
kjer \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je operator tenzorske divergence, \({\underline{\sigma}}\) je drugi Piola-Kirchhoffov napetostni tenzor (drugega reda, \(\ text { N/ m}^{2}\)) in \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) je vektor telesne sile (\(\text {N/m}^{3}\)) za vsako deformirano prostornino in \(e^{j\phi }\) je vektor faznega kota\(\ phi \ ) (veselo).V našem primeru je prostorninska sila telesa enaka nič, naš model predpostavlja geometrijsko linearnost in majhno čisto elastično deformacijo, tj. kjer je \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) in \({\underline {\varepsilon}}\) sta elastična deformacija oziroma skupna deformacija (drugega reda, brez dimenzij).Hookov konstitutivni izotropni tenzor elastičnosti \(\underline{\underline{C}}\) je izračunan z uporabo Youngovega modula E (\(\text {N/m}^{2}\)) in določeno je Poissonovo razmerje v, torej tj. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (četrti vrstni red).Tako izračun napetosti postane \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Izračun uporablja tetraedrski element z 10 vozlišči z velikostjo elementa \(\le\) 8 µm.Igla je modelirana v vakuumu, vrednost prenesene mehanske mobilnosti (ms-1 N-1) pa je definirana kot \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, kjer je \(\tilde{v}_y\vec {j}\) izhodna kompleksna hitrost ročnika in \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) je kompleksna gonilna sila, ki se nahaja na proksimalnem koncu cevi, kot je prikazano na sliki 2b.Prevedite mehansko pretočnost v decibelih (dB) z uporabo največje vrednosti kot reference, tj \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Vse študije FEM so bile izvedene pri frekvenci 29,75 kHz.
Zasnova igle (slika 3) je sestavljena iz običajne hipodermične igle kalibra 21 (kat. št. 4665643, Sterican\(^\obkroženoR\), zunanji premer 0,8 mm, dolžina 120 mm, AISI 304 iz nerjavečega krom-niklja jeklo , B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Nemčija), ki je na proksimalnem koncu opremljen s plastičnim tulcem Luer Lock iz polipropilena in na koncu ustrezno spremenjen.Igelna cev je spajkana na valovod, kot je prikazano na sliki 3b.Valovodi so bili natisnjeni na 3D-tiskalniku iz nerjavečega jekla (nerjaveče jeklo EOS 316L na 3D-tiskalniku EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finska) in nato pritrjeni na senzor Langevin z vijaki M4.Langevinov senzor je sestavljen iz 8 piezoelektričnih obročastih elementov, ki so na obeh koncih obremenjeni z dvema masama.
Štiri vrste konic (fotografija), komercialno dostopna lanceta (L) in tri izdelane osnosimetrične enostopenjske poševnice (AX1-3) so bile označene z dolžinami poševnin (BL) 4, 1,2 oziroma 0,5 mm.(a) Bližnji posnetek končne konice igle.(b) Pogled od zgoraj na štiri zatiče, spajkane na 3D natisnjen valovod in nato povezane s senzorjem Langevin z vijaki M4.
Izdelane so bile tri osnosimetrične poševne konice (slika 3) (TAs Machine Tools Oy) z dolžinami poševnikov (BL, kot je definirano na sliki 2a) 4,0, 1,2 in 0,5 mm, kar ustreza \(\približno) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) oziroma 18\(^\circ\).Masa valovoda in igle je 3,4 ± 0,017 g (srednja vrednost ± sd, n = 4) za poševnine L oziroma AX1-3 (Quintix\(^\obkroženoR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Nemčija) .Za poševnine L in AX1-3 na sliki 3b je bila skupna dolžina od konice igle do konca plastičnega tulca 13,7, 13,3, 13,3 oziroma 13,3 cm.
Za vse konfiguracije igle je bila dolžina od konice igle do konice valovoda (tj. do območja zvara) 4,3 cm, cev igle pa je bila usmerjena z rezom navzgor (tj. vzporedno z osjo Y) , kot je prikazano na sliki.c (slika 2).
Skript po meri v MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, ZDA), ki se izvaja na računalniku (Latitude 7490, Dell Inc., Teksas, ZDA), je bil uporabljen za generiranje linearnega sinusnega premika od 25 do 35 kHz za 7 sekund, prehajanje Digitalno-analogni (DA) pretvornik (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, ZDA) pretvori v analogni signal.Analogni signal \(V_0\) (0,5 Vp-p) je bil nato ojačan z namenskim radiofrekvenčnim (RF) ojačevalnikom (Mariachi Oy, Turku, Finska).Padajoča ojačena napetost \({V_I}\) iz RF ojačevalnika z izhodno impedanco 50 ohmov se napaja v transformator, vgrajen v strukturo igle, z vhodno impedanco 50 ohmov.Langevinovi pretvorniki (sprednji in zadnji težki večplastni piezoelektrični pretvorniki) se uporabljajo za ustvarjanje mehanskih valov.RF-ojačevalnik po meri je opremljen z dvokanalnim merilnikom faktorja moči stoječega vala (SWR), ki beleži vpadno \({V_I}\) in odbito ojačano napetost\(V_R\) v analogno-digitalnem (AD) načinu.s frekvenco vzorčenja 300 kHz Converter (analogni Discovery 2).Vzbujevalni signal je amplitudno moduliran na začetku in na koncu, da se prepreči preobremenitev vhoda ojačevalnika s prehodnimi pojavi.
Z uporabo skripta po meri, ki je bil implementiran v MATLAB, je bila funkcija frekvenčnega odziva (FRF), tj. linearnost v času.invariantni sistem.Poleg tega je uporabljen pasovni filter od 20 do 40 kHz, ki iz signala odstrani vse neželene frekvence.Če se sklicujemo na teorijo prenosnih vodov, je v tem primeru \(\tilde{H}(f)\) enakovreden koeficientu refleksije napetosti, tj. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) zmanjša na \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) je enako \(|\rho _{V}|^2\).V primerih, ko so zahtevane absolutne vrednosti električne moči, se vpadna moč \(P_I\) in odbita moč \(P_R\) moč (W) izračunata tako, da se na primer vzame efektivna vrednost (rms) ustrezne napetosti.za prenosni vod s sinusnim vzbujanjem \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, kjer je \(Z_0\) enako 50 \(\Omega\).Električno moč, dobavljeno bremenu \(P_T\) (tj. vstavljeni medij), je mogoče izračunati kot \(|P_I – P_R |\) (W RMS), kot tudi učinkovitost prenosa moči (PTE) in odstotek ( %) lahko določite, kako je dana oblika, torej 27:
Acikularne modalne frekvence \(f_{1-3}\) (kHz) in njihovi ustrezni faktorji prenosa moči \(\text {PTE}_{1{-}3} \) so nato ocenjeni z uporabo FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz), ocenjeno neposredno iz \(\text {PTE}_{1{-}3}\), iz tabele 1 A enostransko linearni spekter dobimo pri opisani modalni frekvenci \(f_{1-3}\).
Merjenje frekvenčnega odziva (AFC) igelnih struktur.Za pridobitev funkcije frekvenčnega odziva \(\tilde{H}(f)\) in njenega impulznega odziva H(t) se uporablja sinusna dvokanalna meritev pomika25,38.\({\mathcal {F}}\) in \({\mathcal {F}}^{-1}\) predstavljata Fourierjevo transformacijo digitalnega okrnitve oziroma njen inverz.\(\tilde{G}(f)\) pomeni produkt dveh signalov v frekvenčni domeni, npr. \(\tilde{G}_{XrX}\) pomeni inverzni zmnožek skeniranja\(\tilde{X} r (f)\ ) in padec napetosti \(\tilde{X}(f)\).
Kot je prikazano na sliki 5, je kamera za visoke hitrosti (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, ZDA) opremljena z makro objektivom (MP-E 65 mm, \(f\)/2,8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokio, Japonska), za snemanje odklonov konice med upogibnim vzbujanjem (enofrekvenčna, neprekinjena sinusoida) pri frekvencah 27,5–30 kHz.Da bi ustvarili zemljevid senc, je bil za konico igle nameščen ohlajen element visokointenzivne bele LED (številka dela: 4052899910881, bela LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Nemčija).
Pogled od spredaj na eksperimentalno postavitev.Globina se meri od površine medija.Struktura igle je vpeta in nameščena na motorizirano prenosno mizo.Uporabite visokohitrostno kamero z lečo z visoko povečavo (5\(\x\)), da izmerite odstopanje poševnega kota.Vse mere so v milimetrih.
Za vsako vrsto poševnega roba igle smo posneli 300 sličic s hitro kamero, ki merijo 128 \(\x\) 128 slikovnih pik, vsaka s prostorsko ločljivostjo 1/180 mm (\(\približno) 5 µm), s časovna ločljivost 310.000 sličic na sekundo.Kot je prikazano na sliki 6, je vsak okvir (1) obrezan (2), tako da je konica igle v zadnji vrstici (spodaj) okvira, histogram slike (3) pa se izračuna, tako da Canny praga 1 in 2 je mogoče določiti.Nato uporabite zaznavanje robov Canny 28(4) s Sobelovim operatorjem 3 \(\times\) 3 in izračunajte položaje za nehipotenuzne slikovne pike (označene z \(\mathbf {\times }\)) brez kavitacije 300 časovnih korakov.Za določitev obsega upogiba konice izračunajte odvod (z algoritmom centralne razlike) (6) in določite okvir (7), ki vsebuje lokalne ekstreme (tj. vrh) upogiba.Po vizualnem pregledu roba brez kavitacije je bil izbran par okvirjev (ali dva okvirja z intervalom polovičnega časa) (7) in izmerjen je bil odklon konice (označen kot \(\mathbf {\times } \) ).Zgornje je implementirano v Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) z uporabo algoritma za zaznavanje robov OpenCV Canny (v4.5.1, odprtokodna knjižnica računalniškega vida, opencv.org).Končno je faktor odklonske moči (DPR, µm/W) izračunan kot razmerje med odklonom od vrha do vrha in oddano električno močjo \(P_T\) (Wrms).
Z uporabo 7-stopenjskega algoritma (1-7), vključno z obrezovanjem (1-2), zaznavanjem robov Canny (3-4), izračunom, izmerite položaj slikovne pike roba odklona konice z nizom sličic, vzetih iz visoko hitrostna kamera pri 310 kHz ( 5) in njen časovni odvod (6), na koncu pa je na vizualno preverjenih parih okvirjev (7) izmerjen obseg odklona konice.
Izmerjeno v zraku (22,4–22,9 °C), deionizirani vodi (20,8–21,5 °C) in 10 % (m/v) vodni balistični želatini (19,7–23,0 °C, \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatina iz govejih in svinjskih kosti za balistično analizo tipa I, Honeywell International, Severna Karolina, ZDA).Temperatura je bila izmerjena z ojačevalnikom s termočlenom tipa K (AD595, Analog Devices Inc., MA, ZDA) in termočlenom tipa K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, ZDA).Uporabite navpično motorizirano mizo z osjo Z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litva) za merjenje globine od površine medija (nastavljenega kot izhodišče osi Z) z ločljivostjo 5 µm na korak.
Ker je bila velikost vzorca majhna (n = 5) in ni bilo mogoče domnevati normalnosti, je bil uporabljen dvovzorčni Wilcoxonov dvostranski test vsote rangov (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). za primerjavo količine variance konice igle za različne poševnine.Za vsak naklon so bile narejene tri primerjave, tako da je bil uporabljen Bonferronijev popravek s prilagojeno stopnjo pomembnosti 0,017 in stopnjo napake 5 %.
Sklicevanje na sliko 7 spodaj.Pri 29,75 kHz je ukrivljena polovična valovna dolžina (\(\lambda _y/2\)) igle kalibra 21 \(\približno) 8 mm.Upogibna valovna dolžina se zmanjšuje vzdolž pobočja, ko se približuje konici.Na konici \(\lambda _y/2\) so stopničaste poševnine 3, 1 oziroma 7 mm za navadne lancete (a), asimetrične (b) in osnosimetrične (c).To torej pomeni, da se bo lanceta razlikovala za \(\približno\) 5 mm (zaradi dejstva, da obe ravnini lancete tvorita točko 29,30), asimetrični naklon se bo spreminjal za 7 mm, simetrični naklon pa za 1 mm.Osnosimetrična pobočja (težišče ostaja enako, tako da se po pobočju dejansko spreminja le debelina stene).
Uporaba študije FEM pri 29,75 kHz in enačbe.(1) Izračunajte spremembo upogibnega polvala (\(\lambda _y/2\)) za lancetno (a), asimetrično (b) in osno simetrično (c) poševno geometrijo (kot na slikah 1a,b,c).).Povprečno \(\lambda_y/2\) za suličasti, asimetrični in osnosimetrični naklon je 5,65, 5,17 oziroma 7,52 mm.Upoštevajte, da je debelina konice za asimetrične in osnosimetrične poševnine omejena na \(\približno) 50 µm.
Najvišja mobilnost \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je kombinacija optimalne dolžine cevi (TL) in naklonske dolžine (BL) (sl. 8, 9).Za običajno lanceto je optimalna TL \(\približno\) 29,1 mm, ker je njena velikost fiksna (slika 8).Za asimetrične in osnosimetrične naklone (sl. 9a, b) je študija FEM vključevala BL od 1 do 7 mm, tako da so bili optimalni razponi TL od 26,9 do 28,7 mm (razpon 1,8 mm) in od 27,9 do 29,2 mm (razpon 1,3 mm).) ), oz.Za asimetrična pobočja (sl. 9a) se je optimalni TL povečal linearno in dosegel plato pri BL 4 mm, nato pa se močno zmanjšal z BL 5 na 7 mm.Za osno simetrične naklone (slika 9b) optimalni TL narašča linearno z raztezkom BL in se končno stabilizira pri BL od 6 do 7 mm.Razširjena študija osnosimetričnih naklonov (slika 9c) je pokazala drugačen niz optimalnih TL, ki se nahajajo na \(\približno) 35,1–37,1 mm.Za vse BL je razdalja med dvema nizoma optimalnih TL \(\približno\) 8 mm (enakovredno \(\lambda _y/2\)).
Mobilnost prenosa lancete pri 29,75 kHz.Cev igle je bila upognjena pri frekvenci 29,75 kHz, vibracije so bile izmerjene na koncu in izražene kot količina prenesene mehanske gibljivosti (dB glede na največjo vrednost) za TL 26,5-29,5 mm (0,1 mm korak).
Parametrične študije FEM pri frekvenci 29,75 kHz kažejo, da spremembe v dolžini cevi manj vplivajo na mobilnost prenosa osnosimetrične konice kot na njeno asimetrično dvojnico.Študije dolžine poševnice (BL) in dolžine cevi (TL) za asimetrične (a) in osnosimetrične (b, c) geometrije poševnic v študijah frekvenčnega področja z uporabo FEM (robni pogoji so prikazani na sliki 2).(a, b) TL je bil v razponu od 26,5 do 29,5 mm (korak 0,1 mm) in BL 1-7 mm (korak 0,5 mm).(c) Razširjena osnosimetrična študija poševnega kota, vključno s TL 25–40 mm (korak 0,05 mm) in 0,1–7 mm (korak 0,1 mm), ki razkrije želeno razmerje \(\lambda_y/2\) Pogoji ohlapnih gibljivih robov za konico so izpolnjeni.
Struktura igle ima tri naravne frekvence \(f_{1-3}\), razdeljene na nizka, srednja in visoka modalna območja, kot je prikazano v tabeli 1. Velikost PTE je prikazana na sliki 10 in nato analizirana na sliki 11. Spodaj so rezultati za vsako modalno področje:
Tipične zabeležene amplitude trenutne učinkovitosti prenosa moči (PTE), dobljene z uporabo sinusnega vzbujanja s frekvenco pomika na globini 20 mm za lanceto (L) in osnosimetričnimi nakloni AX1-3 v zraku, vodi in želatini.Prikazan je enostranski spekter.Izmerjeni frekvenčni odziv (hitrost vzorčenja 300 kHz) je bil nizkopasovno filtriran in nato znižan za faktor 200 za modalno analizo.Razmerje med signalom in šumom je \(\le\) 45 dB.Faza PTE (vijolična črtkana črta) je prikazana v stopinjah (\(^{\circ}\)).
Analiza modalnega odziva je prikazana na sliki 10 (srednja vrednost ± standardni odklon, n = 5) za naklona L in AX1-3 v zraku, vodi in 10 % želatine (globina 20 mm) z (zgoraj) tremi modalnimi regijami (nizko , srednje, visoko).), in njihove ustrezne modalne frekvence\(f_{1-3}\) (kHz), (povprečna) energetska učinkovitost\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) uporablja konstrukcijske enačbe.(4) in (spodaj) sta polna širina pri polovici največje izmerjene vrednosti \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Upoštevajte, da je pri snemanju nizkega PTE, tj. v primeru naklona AX2, meritev pasovne širine izpuščena, \(\text {FWHM}_{1}\).Način \(f_2\) velja za najprimernejšega za primerjavo odklona nagnjenih ravnin, saj izkazuje najvišjo stopnjo učinkovitosti prenosa moči (\(\text {PTE}_{2}\)), do 99 %.
Prvo modalno območje: \(f_1\) ni veliko odvisno od vrste vstavljenega medija, ampak je odvisno od geometrije poševnine.\(f_1\) se zmanjšuje z manjšo dolžino poševnine (27,1, 26,2 oziroma 25,9 kHz za AX1-3 v zraku).Regionalna povprečja \(\text {PTE}_{1}\) in \(\text {FWHM}_{1}\) sta \(\približno\) 81 % oziroma 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) je bil najvišji v želatini iz Lanceta (L, 473 Hz).Upoštevajte, da \(\text {FWHM}_{1}\) za AX2 v želatini ni mogoče oceniti zaradi nizke velikosti poročanih frekvenčnih odzivov.
Drugo modalno območje: \(f_2\) je odvisno od vrste paste in medija s poševnimi robovi.V zraku, vodi in želatini so povprečne vrednosti \(f_2\) 29,1, 27,9 oziroma 28,5 kHz.Tudi PTE za to modalno regijo je dosegel 99 %, kar je največ med vsemi merilnimi skupinami, regionalno povprečje 84 %.Povprečje območja \(\text {FWHM}_{2}\) je \(\približno\) 910 Hz.
Tretje modalno območje: \(f_3\) Frekvenca je odvisna od vrste vstavljenega medija in poševnine.Povprečne vrednosti \(f_3\) so 32,0, 31,0 in 31,3 kHz v zraku, vodi in želatini.\(\text {PTE}_{3}\) ima regionalno povprečje \(\približno\) 74 %, kar je najnižje med vsemi regijami.Regionalno povprečje \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\približno\) 1085 Hz, kar je višje od prve in druge regije.
Naslednje se nanaša na sl.12 in Tabela 2. Lanceta (L) se je najbolj upognila (z visoko signifikantnostjo za vse konice, \(p<\) 0,017) tako v zraku kot v vodi (slika 12a), pri čemer je dosegla najvišjo DPR (do 220 µm/ W v zraku). 12 in Tabela 2. Lanceta (L) se je najbolj upognila (z visoko signifikantnostjo za vse konice, \(p<\) 0,017) tako v zraku kot v vodi (slika 12a), pri čemer je dosegla najvišjo DPR (do 220 µm/ W v zraku). Naslednje se nanaša na sliko 12 in tabelo 2. Lancet (L) je bil odklonjen bolj vsega (z visoko pomembnostjo za vse nakonečnike, \(p<\) 0,017) kot v zraku, tako in v vodi (ris. 12a), dosežena najvišja DPR . Naslednje velja za sliko 12 in tabelo 2. Lanceta (L) se je najbolj odklonila (z visoko pomembnostjo za vse konice, \(p<\) 0,017) tako v zraku kot v vodi (slika 12a), pri čemer je dosegla najvišjo DPR.(do 220 μm/W v zraku).Sklicevanje na sliko 12 in tabelo 2 spodaj.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) ima največjo deformacijo v zraku in vodi (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017) in je dosegel najvišjo DPR (do 220 µm/ W v zraku). Lancet (L) ima največje odstopanje (kar je pomembno za vse nakonečnike, \(p<\) 0,017) v zraku in vodi (ris. 12a), dosega najvišji DPR (do 220 mkm/Vt v zraku). Lanceta (L) ima največje odstopanje (zelo pomembno za vse konice, \(p<\) 0,017) v zraku in vodi (slika 12a), pri čemer doseže najvišjo DPR (do 220 µm/W v zraku). V zraku se je AX1, ki je imel višji BL, odklonil višje od AX2–3 (s signifikantnostjo \(p<\) 0,017), medtem ko se je AX3 (ki je imel najnižji BL) odklonil več kot AX2 z DPR 190 µm/W. V zraku se je AX1, ki je imel višji BL, odklonil višje od AX2–3 (s signifikantnostjo \(p<\) 0,017), medtem ko se je AX3 (ki je imel najnižji BL) odklonil več kot AX2 z DPR 190 µm/W. V zraku se je AX1 z najvišjim BL odklonil višje, kot AX2–3 (s pomembnostjo \(p<\) 0,017), medtem ko je bil AX3 (z najnižjim BL) odklonjen več kot AX2 z DPR 190 mkm/Vt. V zraku se je AX1 z višjim BL odklonil višje od AX2–3 (s signifikantnostjo \(p<\) 0,017), medtem ko se je AX3 (z najnižjim BL) odklonil več kot AX2 z 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. V zraku je deformacija AX1 z višjim BL višja od deformacije AX2-3 (značilno, \(p<\) 0,017), deformacija AX3 (z najnižjo BL) pa je večja od deformacije AX2, DPR je 190 µm/W. V zraku ima AX1 z najvišjim BL večje odstopanje kot AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), medtem ko ima AX3 (z najnižjim BL) večje odstopanje kot AX2 z DPR 190 mkm/Vt. V zraku ima AX1 z višjim BL večje odstopanje kot AX2-3 (značilno, \(p<\) 0,017), medtem ko ima AX3 (z najnižjim BL) večje odstopanje kot AX2 z DPR 190 μm/W. V vodi pri 20 mm ni bilo ugotovljenih pomembnih razlik (\(p>\) 0,017) v deformaciji in PTE za AX1–3. V vodi pri 20 mm ni bilo ugotovljenih pomembnih razlik (\(p>\) 0,017) v deformaciji in PTE za AX1–3. V vodi na globini 20 mm točne razlike (\(p>\) 0,017) glede na pregib in FTR za AX1–3 niso odkrili. V vodi na globini 20 mm so bile zaznane znatne razlike (\(p>\) 0,017) v odklonu in FTR za 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 vode ni bilo pomembne razlike med AX1-3 in PTE (\(p>\) 0,017). Pri globini 20 mm progib in PTE AX1-3 se bistveno ne razlikujejo (\(p>\) 0,017). Na globini 20 mm se upogib in PTE AX1-3 nista pomembno razlikovala (\(p>\) 0,017).Ravni PTE v vodi (90,2–98,4 %) so bile na splošno višje kot v zraku (56–77,5 %) (slika 12c), med poskusom v vodi pa je bil opažen pojav kavitacije (slika 13, glej tudi dodatne informacije).
Meritve amplitude upogiba konice (srednja vrednost ± standardna deviacija, n = 5) za L in AX1-3 posnetja v zraku in vodi (globina 20 mm) so razkrila učinek spreminjanja geometrije posnetja.Meritve so pridobljene z neprekinjenim enofrekvenčnim sinusnim vzbujanjem.(a) Najvišje odstopanje (\(u_y\vec {j}\)) na točki, izmerjeno pri (b) njihovih ustreznih modalnih frekvencah \(f_2\).(c) Učinkovitost prenosa moči (PTE, rms, %) kot enačba.(4) in (d) Faktor moči odklona (DPR, µm/W), izračunan kot največji odklon in oddajna moč \(P_T\) (Wrms).
Tipičen izris sence kamere za visoke hitrosti, ki prikazuje celotno deformacijo konice lancete (zelene in rdeče pikčaste črte) lancete (L) in osno simetrične konice (AX1-3) v vodi (globina 20 mm), polovični cikel, frekvenca pogona \(f_2\) (frekvenca vzorčenja 310 kHz).Zajeta sivinasta slika ima dimenzije 128 × 128 slikovnih pik z velikostjo slikovnih pik \(\približno) 5 µm.Video najdete v dodatnih informacijah.
Tako smo modelirali spremembo upogibne valovne dolžine (slika 7) in izračunali mehansko gibljivost za prenos za običajne suličaste, asimetrične in aksialne kombinacije dolžine cevi in poševnine (sliki 8, 9).Simetrična poševna geometrija.Na podlagi slednjega smo ocenili, da je optimalna razdalja med konico in zvarom 43 mm (ali \(\približno\) 2,75\(\lambda_y\) pri 29,75 kHz), kot je prikazano na sliki 5, in izdelali tri osnosimetrične poševne robove z različne dolžine poševnikov.Nato smo opisali njihove frekvenčne odzive v primerjavi z običajnimi lancetami v zraku, vodi in 10 % (w/v) balistični želatini (sliki 10, 11) in določili najboljši primer za primerjavo načina odklona nagiba.Na koncu smo izmerili upogib konice z upogibnim valom v zraku in vodi na globini 20 mm ter kvantificirali učinkovitost prenosa moči (PTE, %) in faktor odklonske moči (DPR, µm/W) vbrizganega medija za vsak nagib.tipa (slika 12).
Rezultati kažejo, da nagibna os geometrije vpliva na odstopanje amplitude osi konice.Lanceta je imela največjo ukrivljenost in tudi najvišjo DPR v primerjavi z osnosimetričnim poševnikom, medtem ko je osnosimetrični poševnik imel manjši povprečni odklon (slika 12). Osno simetrična poševnica 4 mm (AX1), ki ima najdaljšo dolžino poševnine, je dosegla statistično značilno največjo deformacijo v zraku (\(p < 0,017\), tabela 2), v primerjavi z drugimi osno simetričnimi iglami (AX2–3), vendar niso opazili bistvenih razlik, ko je bila igla postavljena v vodo. Osno simetrična poševnica 4 mm (AX1), ki ima najdaljšo dolžino poševnine, je dosegla statistično značilno največjo deformacijo v zraku (\(p < 0,017\), tabela 2), v primerjavi z drugimi osno simetričnimi iglami (AX2–3), vendar niso opazili bistvenih razlik, ko je bila igla postavljena v vodo. Osemetrični skok doseže 4 mm (AX1), ki ima največjo dolžino skoze, statistično pomembno največje odstopanje v zraku (\(p <0,017\), tabela 2) v primerjavi z drugimi osemetričnimi iglami (AX2–3). Osnosimetrična poševnica 4 mm (AX1), ki ima najdaljšo dolžino poševnine, je dosegla statistično značilno večje odstopanje v zraku (\(p < 0,017\), tabela 2) v primerjavi z drugimi osnosimetričnimi iglami (AX2–3).vendar pomembne razlike niso bile opažene pri postavitvi igle v vodo.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。 V primerjavi z drugimi osno simetričnimi iglami (AX2-3) ima najdaljši poševni kot 4 mm osno simetrično (AX1) v zraku in je dosegel statistično značilen največji odklon (\(p < 0,017\), tabela 2) , ko pa je bila igla postavljena v vodo, ni bilo opaziti bistvene razlike. Osemetrični skos 4 mm (AX1) z največjo dolžino skoze zagotavlja statistično pomembno največje odstopanje v zraku v primerjavi z drugimi osemetričnimi iglami (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabela 2), vendar bistvene razlike ni bilo. Osnosimetrični naklon z najdaljšo dolžino naklona 4 mm (AX1) je zagotovil statistično značilno največje odstopanje v zraku v primerjavi z drugimi osnosimetričnimi nakloni (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabela 2), vendar ni bilo pomembna razlika.opazimo, ko iglo postavimo v vodo.Tako daljša dolžina poševnice nima očitnih prednosti v smislu najvišjega upogiba konice.Ob upoštevanju tega se izkaže, da ima geometrija pobočja, ki jo proučujemo v tej študiji, večji vpliv na amplitudni odklon kot dolžina pobočja.To je lahko na primer povezano z upogibno togostjo, odvisno od materiala, ki se upogne, in celotne debeline konstrukcijske igle.
V eksperimentalnih študijah na velikost odbitega upogibnega vala vplivajo robni pogoji konice.Ko je bila konica igle vstavljena v vodo in želatino, je \(\text {PTE}_{2}\) znašalo povprečje \(\približno\) 95 % in \(\text {PTE}_{2}\) povprečje vrednosti so 73 % oziroma 77 % (\text {PTE}_{1}\) oziroma \(\text {PTE}_{3}\) (slika 11).To pomeni, da se največji prenos akustične energije na medij za ulivanje (na primer vodo ali želatino) zgodi pri \(f_2\).Podobno vedenje je bilo opaženo v prejšnji študiji z uporabo enostavnejših struktur naprav pri frekvencah 41-43 kHz, kjer so avtorji prikazali napetostni odbojni koeficient, povezan z mehanskim modulom interkaliranega medija.Globina penetracije32 in mehanske lastnosti tkiva zagotavljajo mehansko obremenitev igle, zato se pričakuje, da bodo vplivale na resonančno obnašanje UZeFNAB.Zato je mogoče uporabiti algoritme za sledenje resonance, kot so 17, 18, 33, da optimizirate moč zvoka, ki ga prenaša pisalo.
Modeliranje valovne dolžine upogiba (slika 7) kaže, da ima osnosimetrično višjo strukturno togost (tj. višjo upogibno togost) na konici kot suličasto in asimetrično poševno.Izpeljano iz (1) in z uporabo znanega razmerja med hitrostjo in frekvenco ocenjujemo upogibno togost lancetne, asimetrične in osno simetrične konice kot naklone \(\približno) 200, 20 oziroma 1500 MPa.To ustreza (\lambda _y\) 5,3, 1,7 oziroma 14,2 mm pri 29,75 kHz (sl. 7a–c).Glede na klinično varnost postopka USeFNAB je treba oceniti vpliv geometrije na togost poševne zasnove34.
Študija parametrov poševnine in dolžine cevi (slika 9) je pokazala, da je optimalno območje TL za asimetrično (1,8 mm) višje kot za osnosimetrično poševno (1,3 mm).Poleg tega se plato mobilnosti giblje od 4 do 4, 5 mm oziroma od 6 do 7 mm za asimetrični oziroma osno simetrični nagib (sl. 9a, b).Praktična pomembnost te ugotovitve je izražena v proizvodnih tolerancah, na primer nižji razpon optimalne TL lahko pomeni potrebo po večji natančnosti dolžine.Platforma donosa obenem zagotavlja večjo toleranco pri izbiri dolžine naklona pri določeni frekvenci brez pomembnega vpliva na donos.
Študija vključuje naslednje omejitve.Neposredno merjenje upogiba igle z zaznavanjem robov in hitrim slikanjem (slika 12) pomeni, da smo omejeni na optično prozorne medije, kot sta zrak in voda.Poudariti želimo tudi, da z eksperimenti nismo testirali simulirane mobilnosti prenosa in obratno, temveč smo s študijami FEM določili optimalno dolžino izdelane igle.Z vidika praktičnih omejitev je dolžina lancete od konice do tulca 0,4 cm daljša od drugih igel (AX1-3), glejte sl.3b.To je lahko vplivalo na modalni odziv iglaste strukture.Poleg tega lahko oblika in prostornina valovodne svinčene spajke (glejte sliko 3) vplivata na mehansko impedanco zasnove zatiča, kar povzroči napake v mehanski impedanci in obnašanju pri upogibanju.
Končno smo eksperimentalno dokazali, da geometrija poševnega roba vpliva na količino upogiba v USeFNAB.V situacijah, kjer lahko višja amplituda odklona pozitivno vpliva na učinek igle na tkivo, na primer učinkovitost rezanja po vbodu, se lahko za USeFNAB priporoča običajna lanceta, saj zagotavlja največjo amplitudo odklona, hkrati pa ohranja zadostno togost. na konici dizajna.Poleg tega je nedavna študija pokazala, da lahko večja deformacija konice poveča biološke učinke, kot je kavitacija, kar lahko pomaga pri razvoju aplikacij za minimalno invazivne kirurške posege.Glede na to, da se je pokazalo, da povečana skupna akustična moč poveča izkoristek biopsije iz USeFNAB13, so potrebne nadaljnje kvantitativne študije izkoristka in kakovosti vzorca za oceno podrobne klinične koristi preučevane geometrije igle.
Frable, WJ Fina igelna aspiracijska biopsija: pregled.Humph.bolan14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Čas objave: 13. oktober 2022