Tack för att du besöker Nature.com.Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Det har nyligen visat sig att användningen av ultraljud ökar vävnadsutbytet vid ultraljudsassisterad finnålsaspiration (USeFNAB) jämfört med konventionell finnålsaspiration (FNAB).Hittills har förhållandet mellan fasgeometri och spetsrörelse inte studerats noggrant.I denna studie undersökte vi egenskaperna hos nålresonans och avböjningsamplitud för olika nålfasgeometrier med olika faslängder.Med användning av en konventionell 3,9 mm avfasad lansett var spetsavböjningseffektfaktorn (DPR) i luft och vatten 220 respektive 105 µm/W.Detta är högre än den axisymmetriska 4 mm avfasade spetsen, som ger 180 och 80 µm/W DPR i luft respektive vatten.Den här studien belyser betydelsen av förhållandet mellan böjstyvheten hos fasgeometrin i samband med olika sätt att införa, och kan därför ge insikt i metoder för att kontrollera efterborrande skärverkan genom att ändra nålens fasgeometri, vilket är viktigt.för en USeFNAB-applikation är avgörande.
Finnålsaspirationsbiopsi (FNA) är en metod för att ta vävnadsprover för misstänkt patologi1,2,3 med hjälp av en nål.Fransen spetsen har visat sig ge högre diagnostisk prestanda än konventionella lancet4 och Menghini5 spetsar.Axisymmetriska (dvs perifera) sluttningar föreslås också för att öka sannolikheten för histopatologiskt adekvata prover.
Under en biopsi förs en nål genom lager av hud och vävnad för att få tillgång till misstänkta lesioner.Nyligen genomförda studier har visat att ultraljud kan minska penetrationskraften som krävs för att komma åt mjuka vävnader7,8,9,10.Nålfasgeometri har visat sig påverka nålinteraktionskrafter, till exempel har längre avfasningar visat sig ha lägre vävnadspenetreringskrafter11.Efter att nålen har penetrerat vävnadens yta, dvs efter punktering, kan nålens skärkraft vara 75 % av nålens interaktionskraft med vävnaden12.Det har visat sig att ultraljud (ultraljud) i postpunktionsfasen ökar effektiviteten av diagnostisk mjukdelsbiopsi.Andra ultraljudsförstärkta benbiopsitekniker har utvecklats för att ta hårdvävnadsprover, men inga resultat har rapporterats som förbättrar biopsiutbytet.Flera studier har också bekräftat att mekanisk förskjutning ökar när den utsätts för ultraljudspåkänning16,17,18.Även om det finns många studier om axiella (längsgående) statiska krafter i nål-vävnadsinteraktioner19,20, finns det begränsade studier om den tidsmässiga dynamiken och geometrin hos nålens avfasning under ultraljuds FNAB (USeFNAB).
Syftet med denna studie var att undersöka effekten av olika fasgeometrier på rörelsen av nålspetsen i en nål som drivs av ultraljudsböjning.I synnerhet undersökte vi effekten av injektionsmediet på avböjning av nålspetsen efter punktering för traditionella nålfasningar (dvs USeFNAB-nålar för olika ändamål som selektiv aspiration eller förvärv av mjukvävnad.
Olika fasgeometrier inkluderades i denna studie.(a) Lancet-specifikationen överensstämmer med ISO 7864:201636 där \(\alpha\) är den primära avfasningen, \(\theta\) är rotationsvinkeln för den sekundära avfasningen och \(\phi\) är den sekundära avfasningen. vinkel., vid rotation, i grader (\(^\cirkel\)).(b) Linjära asymmetriska enstegsfasningar (kallade "standard" i DIN 13097:201937) och (c) Linjära axisymmetriska (omkretsgående) enstegsfasningar.
Vårt tillvägagångssätt börjar med att modellera förändringen i böjvåglängd längs avfasningen för konventionella lansett-, axisymmetriska och asymmetriska enstegsfasgeometrier.Vi beräknade sedan en parametrisk studie för att undersöka effekten av rörlutning och längd på överföringens mekaniska fluiditet.Detta är nödvändigt för att bestämma den optimala längden för att göra en prototypnål.Baserat på simuleringen gjordes nålprototyper och deras resonansbeteende karakteriserades experimentellt genom att mäta spänningsreflektionskoefficienterna och beräkna effektöverföringseffektiviteten i luft, vatten och 10 % (vikt/volym) ballistiskt gelatin, från vilken driftsfrekvensen bestämdes .Slutligen används höghastighetsavbildning för att direkt mäta avböjningen av böjningsvågen vid spetsen av nålen i luft och vatten, samt för att uppskatta den elektriska effekten som levereras vid varje sned vinkel och geometrin för avböjningseffektförhållandet ( DPR) till det injicerade mediet..
Som visas i figur 2a, använd ett 21 gauge-rör (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, rörväggtjocklek 0,155 mm, standardvägg) för att definiera nålröret med rörlängd (TL) och avfasningsvinkel (BL) i enlighet med ISO 9626:201621) i 316 rostfritt stål (Youngs modul 205 \(\text {GN/m}^{2}\), densitet 8070 kg/m\(^{3}\) och Poissons förhållande 0,275 ).
Bestämning av böjningsvåglängden och avstämning av finita elementmodellen (FEM) för nål- och randvillkor.(a) Bestämning av faslängd (BL) och rörlängd (TL).(b) Tredimensionell (3D) finita elementmodell (FEM) som använder en harmonisk punktkraft \(\tilde{F}_y\vec {j}\) för att driva nålen proximalt, avböja punkten och mäta hastigheten vid tips (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) för att beräkna överföringen av mekanisk fluiditet.\(\lambda _y\) definieras som böjningsvåglängden i förhållande till den vertikala kraften \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Definitioner av tyngdpunkten, tvärsnittsarean A och tröghetsmomenten \(I_{xx}\) och \(I_{yy}\) runt x- respektive y-axlarna.
Såsom visas i fig.2b,c, för en oändlig (oändlig) stråle med tvärsnittsarea A och vid en våglängd som är större än strålens tvärsnittsstorlek, bestäms den böjda (eller böjda) fashastigheten \( c_{EI }\) av 22 :
där E är Youngs modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) är excitationsvinkelfrekvensen (rad/s), där \( f_0 \ ) är den linjära frekvensen (1/s eller Hz), I är tröghetsmomentet för området runt intresseaxeln\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) är massan på längdenhet (kg/m), där \(\rho _0\) är densiteten\((\text {kg/m}^{3})\) och A är korset sektion av strålområdet (xy-plan) (\(\ text {m}^{2}\)).Eftersom kraften som appliceras i vårt exempel är parallell med den vertikala y-axeln, dvs \(\tilde{F}_y\vec {j}\), är vi bara intresserade av det regionala tröghetsmomentet runt den horisontella x-axeln, dvs \(I_{xx}\), så:
För den finita elementmodellen (FEM) antas en ren övertonsförskjutning (m), så accelerationen (\(\text {m/s}^{2}\)) uttrycks som \(\partial ^2 \vec { u}/ \ partiell t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) som \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) är en tredimensionell förskjutningsvektor som ges i rumsliga koordinater.Istället för det senare, i enlighet med dess implementering i mjukvarupaketet COMSOL Multiphysics (version 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), ges den ändliga deformationen lagrangiska formen av momentumbalanslagen enligt följande:
där \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) är tensor-divergensoperatorn, \({\underline{\sigma}}\) är den andra Piola-Kirchhoff-spänningstensorn (andra ordningen, \(\ text { N/ m}^{2}\)) och \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) är kroppskraftsvektorn (\(\text {N/m}^{3}\)) för varje deformerad volym, och \(e^{j\phi }\) är fasvinkelvektorn\(\ phi \ ) (glad).I vårt fall är kroppens volymkraft noll, vår modell antar geometrisk linjäritet och en liten rent elastisk deformation, dvs , där \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) och \({\underline) {\varepsilon}}\) är elastisk töjning respektive total töjning (andra ordningen, dimensionslös).Hookes konstitutiva isotropiska elasticitetstensor \(\underline{\underline{C}}\) beräknas med hjälp av Youngs modul E (\(\text {N/m}^{2}\)) och Poissons förhållande v bestäms, så dvs. \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (fjärde ordningen).Så spänningsberäkningen blir \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Beräkningen använder ett 10-nods tetraedriskt element med en elementstorlek \(\le\) på 8 µm.Nålen modelleras i vakuum och värdet på den överförda mekaniska rörligheten (ms-1 N-1) definieras som \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, där \(\tilde{v}_y\vec {j}\) är utmatningskomplexets hastighet för handstycket och \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) är en komplex drivkraft placerad vid den proximala änden av röret, som visas i figur 2b.Översätt den mekaniska fluiditeten i decibel (dB) med det maximala värdet som referens, dvs \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Alla FEM-studier utfördes med en frekvens av 29,75 kHz.
Nålens design (fig. 3) består av en konventionell 21-gauge injektionsnål (kat. nr. 4665643, Sterican\(^\circledR\), ytterdiameter 0,8 mm, längd 120 mm, AISI 304 rostfritt krom-nickel stål , B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Tyskland) utrustad med en plast Luer Lock-hylsa gjord av polypropen vid den proximala änden och lämpligt modifierad i änden.Nålröret löds fast vid vågledaren som visas i fig. 3b.Vågledarna skrevs ut på en 3D-skrivare av rostfritt stål (EOS 316L rostfritt stål på en EOS M 290 3D-skrivare, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) och fästes sedan på Langevin-sensorn med M4-bultar.Langevin-sensorn består av 8 piezoelektriska ringelement laddade i båda ändar med två massor.
De fyra typerna av spetsar (foto), en kommersiellt tillgänglig lansett (L) och tre tillverkade axisymmetriska enstegsfasningar (AX1-3) karakteriserades av faslängder (BL) på 4, 1,2 respektive 0,5 mm.(a) Närbild av den färdiga nålspetsen.(b) Ovanifrån av fyra stift lödda till den 3D-printade vågledaren och sedan anslutna till Langevin-sensorn med M4-bultar.
Tre axisymmetriska fasspetsar (fig. 3) tillverkades (TAs Machine Tools Oy) med faslängder (BL, enligt definition i fig. 2a) på 4,0, 1,2 och 0,5 mm, motsvarande \(\approx) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) respektive 18\(^\circ\).Vågledarens och nålens massa är 3,4 ± 0,017 g (medelvärde ± sd, n = 4) för fas L och AX1-3, respektive (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Tyskland) .För avfasningarna L och AX1-3 i figur 3b var den totala längden från spetsen av nålen till änden av plasthylsan 13,7, 13,3, 13,3 respektive 13,3 cm.
För alla nålkonfigurationer var längden från nålspetsen till vågledarens spets (dvs till svetsområdet) 4,3 cm, och nålröret var orienterat med snittet uppåt (dvs parallellt med Y-axeln) , som visas i figuren.c (Fig. 2).
Ett anpassat skript i MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) som kördes på en dator (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) användes för att generera ett linjärt sinusformigt svep från 25 till 35 kHz under 7 sekunder, passerar En digital-till-analog (DA)-omvandlare (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA) omvandlas till en analog signal.Den analoga signalen \(V_0\) (0,5 Vp-p) förstärktes sedan med en dedikerad radiofrekvens (RF) förstärkare (Mariachi Oy, Åbo, Finland).Fallande förstärkt spänning \({V_I}\) från RF-förstärkaren med en utgångsimpedans på 50 ohm matas till en transformator inbyggd i nålstrukturen med en ingångsimpedans på 50 ohm.Langevin-givare (främre och bakre kraftiga piezoelektriska flerskiktsgivare) används för att generera mekaniska vågor.Den anpassade RF-förstärkaren är utrustad med en dual-channel standing wave power factor (SWR) mätare som registrerar infallande \({V_I}\) och reflekterad förstärkt spänning\(V_R\) i analog-till-digital (AD)-läge.med en samplingsfrekvens på 300 kHz Converter (analog Discovery 2).Excitationssignalen är amplitudmodulerad i början och i slutet för att förhindra överbelastning av förstärkaringången med transienter.
Med hjälp av ett anpassat skript implementerat i MATLAB uppskattades frekvenssvarsfunktionen (FRF), dvs \(\tilde{H}(f)\), offline med hjälp av en tvåkanalig sinusformad svepmätmetod (Fig. 4), som förutsätter linjäritet i tiden.invariant system.Dessutom används ett 20 till 40 kHz bandpassfilter för att ta bort eventuella oönskade frekvenser från signalen.Med hänvisning till teorin för transmissionsledningar, i detta fall är \(\tilde{H}(f)\) ekvivalent med spänningsreflektionskoefficienten, dvs. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) minskar till \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) är lika med \(|\rho _{V}|^2\).I de fall där absoluta elektriska effektvärden krävs, beräknas infallseffekt \(P_I\) och reflekterad effekt \(P_R\) effekt (W) genom att ta rms-värdet (rms) för motsvarande spänning, till exempel.för en transmissionsledning med sinusformad excitation \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, där \(Z_0\) är lika med 50 \(\Omega\).Den elektriska effekten som tillförs lasten \(P_T\) (dvs. det insatta mediet) kan beräknas som \(|P_I – P_R |\) (W RMS), såväl som effektöverföringseffektiviteten (PTE) och procentandelen ( %) kan bestämmas hur formen ges, så 27:
De nålformade modala frekvenserna \(f_{1-3}\) (kHz) och deras motsvarande effektöverföringsfaktorer \(\text {PTE}_{1{-}3} \) uppskattas sedan med användning av FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) uppskattad direkt från \(\text {PTE}_{1{-}3}\), från Tabell 1 A ensidig linjärt spektrum erhålls vid den beskrivna modala frekvensen \(f_{1-3}\).
Mätning av frekvensrespons (AFC) för nålstrukturer.En sinusformad tvåkanals svepmätning25,38 används för att erhålla frekvenssvarsfunktionen \(\tilde{H}(f)\) och dess impulssvar H(t).\({\mathcal {F}}\) och \({\mathcal {F}}^{-1}\) representerar Fouriertransformen av digital trunkering respektive dess invers.\(\tilde{G}(f)\) betyder produkten av två signaler i frekvensdomänen, t.ex. \(\tilde{G}_{XrX}\) betyder den inversa skanningsprodukten\(\tilde{ X} r (f)\ ) respektive fallspänning \(\tilde{X}(f)\).
Som visas i figur 5 är höghastighetskameran (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) utrustad med ett makroobjektiv (MP-E 65 mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokyo, Japan), för att registrera spetsböjningar under böjexcitation (enkelfrekvens, kontinuerlig sinusform) vid frekvenser på 27,5-30 kHz.För att skapa en skuggkarta placerades ett kylt element av en vit LED med hög intensitet (artikelnummer: 4052899910881, vit LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Tyskland) bakom nålspetsen.
Framifrån av experimentuppställningen.Djupet mäts från mediets yta.Nålstrukturen är fastklämd och monterad på ett motoriserat överföringsbord.Använd en höghastighetskamera med en högförstoringslins (5\(\x\)) för att mäta sned vinkelavvikelse.Alla mått är i millimeter.
För varje typ av nålfas, spelade vi in 300 bilder från en höghastighetskamera som mätte 128 \(\x\) 128 pixlar, var och en med en rumslig upplösning på 1/180 mm (\(\ca) 5 µm), med en temporär upplösning på 310 000 bilder per sekund.Som visas i figur 6 är varje bildruta (1) beskuren (2) så att nålspetsen är i den sista raden (nederst) av ramen, och histogrammet för bilden (3) beräknas, så att Canny tröskelvärden 1 och 2 kan bestämmas.Applicera sedan Canny edge-detektion 28(4) med Sobel-operator 3 \(\times\) 3 och beräkna positioner för icke-hypotenuspixlar (märkta \(\mathbf {\times }\)) utan kavitation 300 tidssteg.För att bestämma intervallet för spetsböjning, beräkna derivatan (med den centrala skillnadsalgoritmen) (6) och bestäm ramen (7) som innehåller de lokala extremerna (dvs. toppen) av avböjningen.Efter en visuell inspektion av den kavitationsfria kanten valdes ett par ramar (eller två ramar med ett intervall på halvtid) (7) och spetsens nedböjning mättes (betecknas som \(\mathbf {\times } \) ).Ovanstående är implementerat i Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) med hjälp av OpenCV Canny edge-algoritmen (v4.5.1, öppen källkod datorvisionbibliotek, opencv.org).Slutligen beräknas avböjningseffektfaktorn (DPR, µm/W) som förhållandet mellan topp-till-topp-avböjningen och den överförda elektriska effekten \(P_T\) (Wrms).
Med hjälp av en 7-stegsalgoritm (1-7), inklusive beskärning (1-2), Canny edge-detektion (3-4), beräkning, mät pixelpositionen för spetsavböjningskanten med hjälp av en serie bildrutor tagna från en hög- fartkamera vid 310 kHz ( 5) och dess tidsderivata (6), och slutligen mäts intervallet för spetsböjning på visuellt kontrollerade par av ramar (7).
Uppmätt i luft (22,4-22,9°C), avjoniserat vatten (20,8-21,5°C) och 10 % (vikt/volym) vattenhaltigt ballistiskt gelatin (19,7-23,0°C , \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Bovint and Pork Bone Gelatin for Type I Ballistic Analysis, Honeywell International, North Carolina, USA).Temperaturen mättes med en termoelementförstärkare av K-typ (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) och ett termoelement av K-typ (Fluke 80PK-1 Bead Probe nr. 3648 typ-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Använd ett vertikalt motoriserat Z-axelsteg (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litauen) för att mäta djupet från mediaytan (inställt som ursprunget för Z-axeln) med en upplösning på 5 µm per steg.
Eftersom urvalsstorleken var liten (n = 5) och normalitet inte kunde antas, användes Wilcoxon ranksummetest med två provsvans (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) för att jämföra mängden varians nålspets för olika avfasningar.Tre jämförelser gjordes för varje lutning, så en Bonferroni-korrigering tillämpades med en justerad signifikansnivå på 0,017 och en felfrekvens på 5 %.
Hänvisning görs till fig. 7 nedan.Vid 29,75 kHz är den krökta halva våglängden (\(\lambda _y/2\)) för en 21-gauge nål \(\ungefär) 8 mm.Böjningsvåglängden minskar längs sluttningen när den närmar sig spetsen.Vid spetsen \(\lambda _y/2\) finns trappstegsfasningar på 3, 1 respektive 7 mm för vanliga lansetter (a), asymmetrisk (b) och axisymmetrisk (c).Det betyder alltså att lansetten skiljer sig med \(\ca\) 5 mm (beroende på att lansettens två plan bildar en punkt på 29,30), den asymmetriska lutningen kommer att variera med 7 mm och den symmetriska lutningen med 1 mm.Axisymmetriska sluttningar (tyngdpunkten förblir densamma, så bara väggtjockleken ändras faktiskt längs sluttningen).
Tillämpning av FEM-studien vid 29,75 kHz och ekvationen.(1) Beräkna den böjda halvvågsändringen (\(\lambda _y/2\)) för lansett (a), asymmetrisk (b) och axelsymmetrisk (c) sned geometri (som i Fig. 1a,b,c).).Medelvärdet \(\lambda_y/2\) för lansett-, asymmetriska och axisymmetriska lutningar är 5,65, 5,17 respektive 7,52 mm.Observera att spetstjockleken för asymmetriska och axisymmetriska avfasningar är begränsad till \(\ca) 50 µm.
Topprörlighet \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) är en kombination av optimal rörlängd (TL) och lutningslängd (BL) (fig. 8, 9).För en konventionell lansett, eftersom dess storlek är fixerad, är den optimala TL \(\approx\) 29,1 mm (fig. 8).För asymmetriska och axisymmetriska sluttningar (fig. 9a, b) inkluderade FEM-studien BL från 1 till 7 mm, så de optimala TL-intervallen var från 26,9 till 28,7 mm (intervall 1,8 mm) och från 27,9 till 29,2 mm (intervall 1,3 mm).) ), respektive.För asymmetriska sluttningar (fig. 9a) ökade den optimala TL linjärt och nådde en platå vid BL 4 mm och minskade sedan kraftigt från BL 5 till 7 mm.För axisymmetriska sluttningar (fig. 9b) ökar den optimala TL linjärt med BL-förlängning och stabiliseras slutligen vid BL från 6 till 7 mm.En utökad studie av axisymmetriska sluttningar (Fig. 9c) visade en annan uppsättning av optimala TLs belägna vid \(\ungefär) 35,1–37,1 mm.För alla BL:er är avståndet mellan två uppsättningar av optimala TL:er \(\approx\) 8 mm (motsvarande \(\lambda _y/2\)).
Lancetöverföringsrörlighet vid 29,75 kHz.Nålröret böjdes vid en frekvens av 29,75 kHz, vibrationen mättes i slutet och uttrycktes som mängden överförd mekanisk rörlighet (dB i förhållande till maxvärdet) för TL 26,5-29,5 mm (0,1 mm steg).
Parametriska studier av FEM vid en frekvens av 29,75 kHz visar att överföringsrörligheten hos den axisymmetriska spetsen påverkas mindre av förändringar i rörets längd än dess asymmetriska motsvarighet.Studier av faslängd (BL) och rörlängd (TL) för asymmetriska (a) och axisymmetriska (b, c) fasningsgeometrier i frekvensdomänstudier med användning av FEM (gränsförhållanden visas i figur 2).(a, b) TL varierade från 26,5 till 29,5 mm (0,1 mm steg) och BL 1-7 mm (0,5 mm steg).(c) Utökad axelsymmetrisk snedvinkelstudie inklusive TL 25-40 mm (0,05 mm steg) och 0,1-7 mm (0,1 mm steg) som avslöjar det önskade förhållandet \(\lambda_y/2\) Löst rörliga gränsvillkor för en spets är uppfyllda.
Nålstrukturen har tre naturliga frekvenser \(f_{1-3}\) uppdelade i låga, medelhöga och höga modala regioner som visas i tabell 1. PTE-storleken visas i figur 10 och analyseras sedan i figur 11. Nedan visas resultat för varje modalt område:
Typiska registrerade amplituder för momentan kraftöverföringseffektivitet (PTE) erhållna med sinusformad excitation med svepfrekvens på ett djup av 20 mm för en lansett (L) och axisymmetriska sluttningar AX1-3 i luft, vatten och gelatin.Ett ensidigt spektrum visas.Det uppmätta frekvenssvaret (300 kHz samplingshastighet) lågpassfiltrerades och nedsamplades sedan med en faktor 200 för modal analys.Signal-brusförhållandet är \(\le\) 45 dB.PTE-fasen (lila streckad linje) visas i grader (\(^{\circ}\)).
Den modala responsanalysen visas i figur 10 (medelvärde ± standardavvikelse, n = 5) för L- och AX1-3-sluttningarna i luft, vatten och 10 % gelatin (20 mm djup) med (överst) tre modala regioner (låg) , medelhög).), och deras motsvarande modala frekvenser\(f_{1-3}\) (kHz), (genomsnittlig) energieffektivitet\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) använder designekvationer.(4) och (nederst) är hela bredden vid halva det maximala uppmätta värdet \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respektive.Observera att vid inspelning av en låg PTE, dvs i fallet med en AX2-lutning, utelämnas bandbreddsmätningen, \(\text {FWHM}_{1}\).Läget \(f_2\) anses vara det mest lämpliga för att jämföra avböjningen av lutande plan, eftersom det visar den högsta nivån av effektöverföringseffektivitet (\(\text {PTE}_{2}\)), upp till 99 %.
Första modala regionen: \(f_1\) beror inte mycket på mediatypen som infogats, utan beror på fasgeometrin.\(f_1\) minskar med minskande faslängd (27,1, 26,2 respektive 25,9 kHz för AX1-3 i luft).De regionala medelvärdena \(\text {PTE}_{1}\) och \(\text {FWHM}_{1}\) är \(\approx\) 81 % respektive 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) var den högsta i gelatin från Lancet (L, 473 Hz).Observera att \(\text {FWHM}_{1}\) för AX2 i gelatin inte kan uppskattas på grund av den låga storleken på de rapporterade frekvenssvaren.
Den andra modala regionen: \(f_2\) beror på typen av pasta och fasad media.I luft, vatten och gelatin är de genomsnittliga \(f_2\) värdena 29,1, 27,9 respektive 28,5 kHz.PTE för denna modala region nådde också 99 %, den högsta bland alla mätgrupper, med ett regionalt genomsnitt på 84 %.Områdesgenomsnittet \(\text {FWHM}_{2}\) är \(\approx\) 910 Hz.
Tredje modala regionen: \(f_3\) Frekvensen beror på typen av införingsmedium och avfasning.Genomsnittliga \(f_3\) värden är 32,0, 31,0 och 31,3 kHz i luft, vatten respektive gelatin.\(\text {PTE}_{3}\) har ett regionalt genomsnitt på \(\approximately\) 74 %, den lägsta av någon region.Det regionala genomsnittet \(\text {FWHM}_{3}\) är \(\approximately\) 1085 Hz, vilket är högre än de första och andra områdena.
Följande hänvisar till fig.12 och Tabell 2. Lansetten (L) böjde sig mest (med hög signifikans för alla spetsar, \(p<\) 0,017) i både luft och vatten (Fig. 12a), och uppnådde högsta DPR (upp till 220 µm/ W i luften). 12 och Tabell 2. Lansetten (L) böjde sig mest (med hög signifikans för alla spetsar, \(p<\) 0,017) i både luft och vatten (Fig. 12a), och uppnådde högsta DPR (upp till 220 µm/ W i luften). Следующее относится к рисунку 12 och таблице ов, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Följande gäller för figur 12 och tabell 2. Lancet (L) avböjde mest (med hög signifikans för alla spetsar, \(p<\) 0,017) i både luft och vatten (fig. 12a), och uppnådde högsta DPR .(gör 220 μm/W i luft).Hänvisning görs till figur 12 och tabell 2 nedan.柳叶刀(L) 在空气和水中（图12a）中偏转最大（对所有尖端具有高度有高度意意繉，\(0，)\(0Ｐ\)最高DPR （空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) har den högsta avböjningen i luft och vatten (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), och uppnådde den högsta DPR (upp till µm/220) W i luften). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) воздивос амого высокого DPR (upp till 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) har den största avvikelsen (mycket signifikant för alla spetsar, \(p<\) 0,017) i luft och vatten (Fig. 12a), och når den högsta DPR (upp till 220 µm/W i luft). I luft avböjde AX1 som hade högre BL högre än AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), medan AX3 (som hade lägst BL) avböjde mer än AX2 med en DPR på 190 µm/W. I luft avböjde AX1 som hade högre BL högre än AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), medan AX3 (som hade lägst BL) avböjde mer än AX2 med en DPR på 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), мскаы кон онялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft avböjde AX1 med högre BL högre än AX2–3 (med signifikans \(p<\) 0,017), medan AX3 (med lägst BL) avböjde mer än AX2 med DPR 190 µm/W.在空气中，具有较高BL 的AX1 偏转高于AX2-3（具有显着性，\(p<\) 0.017）．转者转大于AX2，DPR 为190 µm/W. I luft är nedböjningen av AX1 med högre BL högre än för AX2-3 (signifikant \(p<\) 0,017), och nedböjningen av AX3 (med lägst BL) är högre än för AX2, DPR är 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), мкагда (мк ет большее отклонение, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft har AX1 med högre BL större avvikelse än AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), medan AX3 (med lägst BL) har större avvikelse än AX2 med DPR på 190 μm/W. I vatten vid 20 mm hittades inga signifikanta skillnader (\(p>\) 0,017) i nedböjning och PTE för AX1–3. I vatten vid 20 mm hittades inga signifikanta skillnader (\(p>\) 0,017) i nedböjning och PTE för AX1–3. В воде на глубине 20 мм достоверных различий (\(p>\) 0,017) по прогибу и ФТР для AX1–3 не обнаружено. I vatten på 20 mm djup detekterades signifikanta skillnader (\(p>\) 0,017) i nedböjning och FTR för AX1–3.在20 mm 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 I 20 mm vatten fanns ingen signifikant skillnad mellan AX1-3 och PTE (\(p>\) 0,017). För en hastighet på 20 mm och PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). Vid ett djup av 20 mm skilde sig inte nedböjningen och PTE AX1-3 signifikant (\(p>\) 0,017).Nivåerna av PTE i vatten (90,2–98,4 %) var generellt högre än i luft (56–77,5 %) (fig. 12c), och fenomenet kavitation noterades under experimentet i vatten (fig. 13, se även tillägg) information).
Spetsböjningsamplitudmätningar (medelvärde ± standardavvikelse, n = 5) för L och AX1-3 fasar i luft och vatten (djup 20 mm) avslöjade effekten av att ändra fasgeometrin.Mätningarna erhålls med användning av kontinuerlig sinusformad excitation med enkel frekvens.(a) Toppavvikelse (\(u_y\vec {j}\)) vid vertex, mätt vid (b) deras respektive modala frekvenser \(f_2\).(c) Effektöverföringseffektivitet (PTE, rms, %) som en ekvation.(4) och (d) Avvikelseeffektfaktor (DPR, µm/W) beräknad som toppavvikelse och sändningseffekt \(P_T\) (Wrms).
Typisk skuggplot för en höghastighetskamera som visar den totala avböjningen av lansettens spets (gröna och röda prickade linjer) på lansetten (L) och den axisymmetriska spetsen (AX1-3) i vatten (djup 20 mm), halvcykel, körfrekvens \(f_2\) (frekvens 310 kHz sampling).Den tagna gråskalebilden har dimensionerna 128×128 pixlar med en pixelstorlek på \(\ungefär) 5 µm.Video finns i ytterligare information.
Således modellerade vi förändringen i böjvåglängd (Fig. 7) och beräknade den mekaniska rörligheten för överföring för konventionella lansettlika, asymmetriska och axiella kombinationer av rörlängd och fas (Fig. 8, 9).Symmetrisk fasad geometri.Baserat på det senare uppskattade vi det optimala spets-till-svetsavståndet till 43 mm (eller \(\approx\) 2,75\(\lambda_y\) vid 29,75 kHz) som visas i figur 5, och tillverkade tre axisymmetriska fasar med olika faslängder.Vi karakteriserade sedan deras frekvenssvar jämfört med konventionella lansetter i luft, vatten och 10 % (vikt/volym) ballistiskt gelatin (figur 10, 11) och bestämde det bästa fallet för att jämföra lutningsavböjningsläge.Slutligen mätte vi spetsböjning genom att böja våg i luft och vatten på ett djup av 20 mm och kvantifierade effektöverföringseffektiviteten (PTE, %) och avböjningseffektfaktorn (DPR, µm/W) för det injicerade mediet för varje lutning.typ (Fig. 12).
Resultaten visar att geometrins lutningsaxel påverkar spetsaxelns amplitudavvikelse.Lansetten hade den högsta krökningen och även den högsta DPR jämfört med den axisymmetriska avfasningen, medan den axisymmetriska avfasningen hade en mindre medelavvikelse (Fig. 12). Den axelsymmetriska 4 mm avfasningen (AX1) som har den längsta avfasningslängden, uppnådde statistiskt signifikant högsta avböjning i luft (\(p < 0,017\), tabell 2), i jämförelse med andra axelsymmetriska nålar (AX2–3), men inga signifikanta skillnader observerades när nålen placerades i vatten. Den axelsymmetriska 4 mm avfasningen (AX1) som har den längsta avfasningslängden, uppnådde statistiskt signifikant högsta avböjning i luft (\(p < 0,017\), tabell 2), i jämförelse med andra axelsymmetriska nålar (AX2–3), men inga signifikanta skillnader observerades när nålen placerades i vatten. Осесимметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статистически значимого наишвеголь p <0,017\), таблица 2) по сравнению с другими осесимметричными иглами (AX2–3). Axisymmetrisk fas 4 mm (AX1), med den längsta faslängden, uppnådde en statistiskt signifikant större avvikelse i luft (\(p < 0,017\), tabell 2) jämfört med andra axisymmetriska nålar (AX2–3).men signifikanta skillnader observerades inte när nålen placerades i vatten.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 斜角䘭丒(AX1) 在縰应着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时，没有观察到显着差异。 Jämfört med andra axiellt symmetriska nålar (AX2-3) har den den längsta sneda vinkeln på 4 mm axiellt symmetrisk (AX1) i luften, och den har uppnått statistiskt signifikant maximal avböjning (\(p < 0,017\), Tabell 2) men när nålen placerades i vatten observerades ingen signifikant skillnad. Осесимметричный скос 4 мм (AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает статистически значимое максимальноз максимальн равнению с другими осесимметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), но существенной разницы. Den axisymmetriska lutningen med den längsta lutningslängden på 4 mm (AX1) gav en statistiskt signifikant maximal avvikelse i luften jämfört med de andra axelsymmetriska lutningarna (AX2-3) (\(p < 0,017\), tabell 2), men det fanns ingen betydande skillnad.observeras när nålen placeras i vatten.Sålunda har en längre avfasningslängd inga uppenbara fördelar när det gäller toppavböjning.Med hänsyn till detta visar det sig att lutningsgeometrin, som undersöks i denna studie, har större inverkan på amplitudavböjningen än lutningslängden.Detta kan till exempel relateras till böjstyvhet, beroende på materialet som böjs och konstruktionsnålens totala tjocklek.
I experimentella studier påverkas storleken på den reflekterade böjningsvågen av spetsens randvillkor.När nålspetsen sattes in i vatten och gelatin, var \(\text {PTE}_{2}\) i genomsnitt \(\approx\) 95 % och \(\text {PTE}_{2}\) genomsnittet av värdena är 73 % och 77 % (\text {PTE}_{1}\) respektive \(\text {PTE}_{3}\) (Fig. 11).Detta indikerar att den maximala överföringen av akustisk energi till gjutmediet (till exempel vatten eller gelatin) sker vid \(f_2\).Liknande beteende observerades i en tidigare studie med enklare enhetsstrukturer vid frekvenser på 41-43 kHz, där författarna demonstrerade spänningsreflektionskoefficienten förknippad med den mekaniska modulen för det interkalerade mediet.Penetrationsdjupet32 och vävnadens mekaniska egenskaper ger en mekanisk belastning på nålen och förväntas därför påverka resonansbeteendet hos UZeFNAB.Därför kan resonansspårningsalgoritmer som 17, 18, 33 användas för att optimera kraften i ljudet som levereras genom pennan.
Böjvåglängdsmodellering (fig. 7) visar att axisymmetrisk har högre strukturell styvhet (dvs. högre böjstyvhet) vid spetsen än lansett och asymmetrisk fas.Härledd från (1) och med hjälp av det kända hastighet-frekvensförhållandet uppskattar vi böjstyvheten hos lansetten, asymmetriska och axisymmetriska spetsar som sluttningar \(\ungefär) 200, 20 respektive 1500 MPa.Detta motsvarar (\lambda _y\) 5,3, 1,7 respektive 14,2 mm vid 29,75 kHz (fig. 7a–c).Med tanke på den kliniska säkerheten för USeFNAB-proceduren måste geometrins inverkan på styvheten hos fasdesignen utvärderas34.
Studien av parametrarna för avfasningen och längden på röret (fig. 9) visade att det optimala TL-intervallet för den asymmetriska (1,8 mm) var högre än för den axisymmetriska avfasningen (1,3 mm).Dessutom sträcker sig rörlighetsplatån från 4 till 4,5 mm och från 6 till 7 mm för asymmetrisk respektive axisymmetrisk lutning (fig. 9a, b).Den praktiska relevansen av detta fynd uttrycks i tillverkningstoleranser, till exempel kan ett lägre intervall för optimal TL innebära ett behov av högre längdnoggrannhet.Samtidigt ger yield-plattformen en större tolerans för val av sluttningslängd vid en given frekvens utan att nämnvärt påverka yielden.
Studien inkluderar följande begränsningar.Direkt mätning av nålavböjning med hjälp av kantdetektering och höghastighetsavbildning (Figur 12) gör att vi är begränsade till optiskt transparenta medier som luft och vatten.Vi vill också påpeka att vi inte använde experiment för att testa den simulerade överföringsrörligheten och vice versa, utan använde FEM-studier för att bestämma den optimala längden på den tillverkade nålen.Ur praktiska begränsningar är längden på lansetten från spets till hylsa 0,4 cm längre än andra nålar (AX1-3), se fig.3b.Detta kan ha påverkat det modala svaret hos den nålformade strukturen.Dessutom kan formen och volymen av vågledarlodet (se figur 3) påverka den mekaniska impedansen hos stiftdesignen, vilket resulterar i fel i mekanisk impedans och böjningsbeteende.
Slutligen har vi experimentellt visat att avfasningsgeometrin påverkar mängden avböjning i USeFNAB.I situationer där en högre avböjningsamplitud kan ha en positiv effekt på nålens effekt på vävnaden, till exempel skäreffektivitet efter punktering, kan en konventionell lansett rekommenderas för USeFNAB, eftersom den ger den största avböjningsamplituden med bibehållen tillräcklig styvhet i toppen av designen.Dessutom har en nyligen genomförd studie visat att större spetsböjning kan förstärka biologiska effekter som kavitation, vilket kan hjälpa till att utveckla tillämpningar för minimalt invasiva kirurgiska ingrepp.Med tanke på att ökad total akustisk kraft har visat sig öka biopsiutbytet från USeFNAB13, behövs ytterligare kvantitativa studier av provutbyte och kvalitet för att bedöma den detaljerade kliniska fördelen med den studerade nålgeometrin.
Frable, WJ Finnålsaspirationsbiopsi: en recension.Humph.Sjuk.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Posttid: 2022-13-13