Дякуємо, що відвідали Nature.com.Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відтворюємо сайт без стилів і JavaScript.
Нещодавно було продемонстровано, що використання ультразвуку збільшує вихід тканини при аспірації тонкою голкою за допомогою ультразвуку (USeFNAB) порівняно зі звичайною аспірацією тонкою голкою (FNAB).На сьогоднішній день зв’язок між геометрією скосу та рухом наконечника до кінця не вивчений.У цьому дослідженні ми досліджували властивості резонансу голки та амплітуду відхилення для різних геометрій скосу голки з різною довжиною скосу.Використовуючи звичайний 3,9-міліметровий ланцет зі скошеною фаскою, коефіцієнт потужності відхилення кінчика (DPR) у повітрі та воді становив 220 та 105 мкм/Вт відповідно.Це вище, ніж осесиметричний скошений кінчик 4 мм, що забезпечує 180 і 80 мкм/Вт DPR у повітрі та воді відповідно.Це дослідження підкреслює важливість зв’язку між жорсткістю на вигин геометрії скосу в контексті різних засобів вставки, і, отже, може дати розуміння методів контролю дії різання після проколу шляхом зміни геометрії скосу голки, що є важливим.для програми USeFNAB є критичним.
Тонкоголкова аспіраційна біопсія (ТНА) — це метод отримання зразків тканини при підозрі на патологію1,2,3 за допомогою голки.Показано, що наконечник Franseen забезпечує вищу ефективність діагностики, ніж звичайні наконечники ланцета4 і Menghini5.Осесиметричні (тобто окружні) нахили також пропонуються для збільшення ймовірності гістопатологічно адекватних зразків.
Під час біопсії голка проходить через шари шкіри та тканини, щоб отримати доступ до підозрілих уражень.Недавні дослідження показали, що ультразвук може зменшити силу проникнення, необхідну для доступу до м’яких тканин7,8,9,10.Було показано, що геометрія скосу голки впливає на сили взаємодії голки, наприклад, було показано, що довші скоси мають нижчу силу проникнення в тканину11.Після проникнення голки в поверхню тканини, тобто після проколу, сила різання голки може становити 75% сили взаємодії голки з тканиною12.Показано, що в постпункційній фазі ультразвукове дослідження (УЗД) підвищує ефективність діагностичної біопсії м'яких тканин.Були розроблені інші методи ультразвукової біопсії кісток для взяття зразків твердих тканин, але не було повідомлено про результати, які б покращили результати біопсії.Численні дослідження також підтвердили, що механічне зміщення збільшується під впливом ультразвукового впливу16,17,18.Хоча існує багато досліджень аксіальних (поздовжніх) статичних сил у взаємодії голки та тканини19,20, існують обмежені дослідження часової динаміки та геометрії скосу голки під ультразвуковим FNAB (USeFNAB).
Метою цього дослідження було дослідити вплив різної геометрії скосу на рух кінчика голки в голці, що керується ультразвуковим вигином.Зокрема, ми досліджували вплив ін’єкційного середовища на відхилення кінчика голки після проколу для традиційних скошених голок (тобто голок USeFNAB для різних цілей, таких як селективна аспірація або отримання м’яких тканин).
У цьому дослідженні були включені різні геометрії скосу.(a) Специфікація Lancet відповідає стандарту ISO 7864:201636, де \(\alpha\) — основний скіс, \(\theta\) — кут повороту вторинного скісу, а \(\phi\) — вторинний скіс кут., при обертанні, у градусах (\(^\circ\)).(b) Лінійні асиметричні одноступеневі фаски (так звані «стандартні» в DIN 13097:201937) і (c) Лінійні осесиметричні (окружні) одноступеневі фаски.
Наш підхід починається з моделювання зміни довжини хвилі вигину вздовж фаски для звичайної ланцетної, осесиметричної та асиметричної одноступеневої геометрії скосу.Потім ми розрахували параметричне дослідження, щоб перевірити вплив нахилу та довжини труби на механічну текучість передачі.Це необхідно для визначення оптимальної довжини для виготовлення прототипу голки.На основі моделювання були виготовлені прототипи голок, а їх резонансна поведінка була експериментально охарактеризована шляхом вимірювання коефіцієнтів відбиття напруги та розрахунку ефективності передачі потужності в повітрі, воді та 10% (мас./об.) балістичному желатині, з яких була визначена робоча частота .Нарешті, високошвидкісна візуалізація використовується для прямого вимірювання відхилення хвилі вигину на кінчику голки в повітрі та воді, а також для оцінки електричної потужності, що постачається під кожним косим кутом, і геометрії коефіцієнта потужності відхилення ( DPR) до введеного середовища..
Як показано на малюнку 2a, використовуйте трубку калібру 21 (0,80 мм OD, 0,49 мм ID, товщина стінки трубки 0,155 мм, стандартна стінка), щоб визначити трубку голки з довжиною трубки (TL) і кутом скосу (BL) відповідно до ISO 9626:201621) з нержавіючої сталі 316 (модуль Юнга 205 \(\text {GN/m}^{2}\), щільність 8070 кг/м\(^{3}\) і коефіцієнт Пуассона 0,275).
Визначення довжини хвилі вигину та налаштування моделі кінцевих елементів (FEM) для голчастих та граничних умов.(a) Визначення довжини скосу (BL) і довжини труби (TL).(b) Тривимірна (3D) модель кінцевих елементів (FEM) з використанням гармонічної точкової сили \(\tilde{F}_y\vec {j}\) для руху голки проксимально, відхилення вістря та вимірювання швидкості на підказка (\ ( \tilde {u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) для розрахунку передачі механічної плинності.\(\lambda _y\) визначається як довжина хвилі вигину відносно вертикальної сили \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Визначення центру тяжіння, площі поперечного перерізу A та моментів інерції \(I_{xx}\) і \(I_{yy}\) навколо осей x і y відповідно.
Як показано на рис.2b,c, для нескінченного (нескінченного) променя з площею поперечного перерізу A та на довжині хвилі, більшій за розмір поперечного перерізу променя, зігнута (або зігнута) фазова швидкість \( c_{EI }\) визначається 22 :
де E — модуль Юнга (\(\text {Н/м}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) — кутова частота збудження (рад/с), де \( f_0 \ ) — лінійна частота (1/с або Гц), I — момент інерції області навколо досліджуваної осі\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) — маса одиниці довжини (кг/м), де \(\rho _0\) — густина\((\text {кг/м}^{3})\), а A — хрест перетин області променя (площина xy) (\(\ текст {m}^{2}\)).Оскільки сила, прикладена в нашому прикладі, паралельна вертикальній осі y, тобто \(\tilde{F}_y\vec {j}\), нас цікавить лише регіональний момент інерції навколо горизонтальної осі x, тобто \(I_{xx}\), тому:
Для моделі кінцевих елементів (FEM) передбачається чисте гармонічне зміщення (м), тому прискорення (\(\text {m/s}^{2}\)) виражається як \(\partial ^2 \vec { u}/ \ часткове t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) як \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) — тривимірний вектор переміщення, заданий у просторових координатах.Замість останнього, відповідно до його реалізації в програмному пакеті COMSOL Multiphysics (версії 5.4-5.5, COMSOL Inc., Массачусетс, США), лагранжева форма скінченної деформації закону балансу імпульсу задана так:
де \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) — оператор розбіжності тензора, \({\underline{\sigma}}\) — другий тензор напружень Піоли-Кірхгофа (другий порядок, \(\ text { N/ m}^{2}\)) і \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) — вектор об’ємної сили (\(\text {Н/м}^{3}\)) для кожного деформованого об’єму, а \(e^{j\phi }\) — вектор фазового кута\(\ phi \ ) (радий).У нашому випадку об’ємна сила тіла дорівнює нулю, наша модель передбачає геометричну лінійність і малу чисто пружну деформацію, тобто , де \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) і \({\underline {\varepsilon}}\) — пружна деформація та повна деформація (другого порядку, безрозмірна) відповідно.Конститутивний ізотропний тензор пружності Гука \(\underline{\underline{C}}\) обчислюється за допомогою модуля Юнга E (\(\text {N/m}^{2}\)) і визначається коефіцієнт Пуассона v, тобто \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (четвертий порядок).Отже, обчислення напруги виглядає як \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Для обчислення використовується тетраедричний елемент із 10 вузлами з розміром елемента \(\le\) 8 мкм.Голка моделюється у вакуумі, а значення переданої механічної рухливості (ms-1 N-1) визначається як \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j}|/ |\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, де \(\tilde{v}_y\vec {j}\) вихідна комплексна швидкість наконечника та \( \ tilde {F}_y\ vec {j }\) — це складна рушійна сила, розташована на проксимальному кінці трубки, як показано на малюнку 2b.Переведіть механічну плинність у децибели (дБ), використовуючи максимальне значення як еталон, тобто \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}|) \ ) .Усі FEM дослідження проводились на частоті 29,75 кГц.
Конструкція голки (рис. 3) складається зі звичайної підшкірної голки 21-го калібру (кат. № 4665643, Sterican\(^\circledR\), зовнішній діаметр 0,8 мм, довжина 120 мм, нержавіючий хромонікель AISI 304 сталь, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Німеччина), оснащений пластиковою втулкою Luer Lock, виготовленою з поліпропілену на проксимальному кінці та відповідним чином модифікованою на кінці.Голчаста трубка припаяна до хвилеводу, як показано на рис. 3b.Хвилеводи були надруковані на 3D-принтері з нержавіючої сталі (нержавіюча сталь EOS 316L на 3D-принтері EOS M 290, 3D Formtech Oy, Ювяскюля, Фінляндія), а потім прикріплені до датчика Ланжевена за допомогою болтів M4.Датчик Ланжевена складається з 8 п'єзоелектричних кільцевих елементів, навантажених на обох кінцях двома масами.
Чотири типи наконечників (фото), комерційно доступний ланцет (L) і три виготовлені осесиметричні одноступеневі скоси (AX1-3) характеризуються довжиною скосу (BL) 4, 1,2 і 0,5 мм відповідно.(a) Збільшений план готового кінчика голки.(b) Вид зверху чотирьох контактів, припаяних до 3D-друкованого хвилеводу, а потім підключених до датчика Ланжевена болтами M4.
Було виготовлено три осесиметричні скошені наконечники (рис. 3) (TAs Machine Tools Oy) з довжиною скосу (BL, як визначено на рис. 2а) 4,0, 1,2 і 0,5 мм, що відповідає \(\приблизно) 2 \(^ \ circ\), 7\(^\circ\) і 18\(^\circ\) відповідно.Маса хвилеводу та стрілки становить 3,4 ± 0,017 г (середнє значення ± sd, n = 4) для фасок L і AX1-3 відповідно (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Геттінген, Німеччина) .Для фасок L і AX1-3 на малюнку 3b загальна довжина від кінчика голки до кінця пластикової втулки становила 13,7, 13,3, 13,3 і 13,3 см відповідно.
Для всіх конфігурацій голки довжина від кінчика голки до кінчика хвилеводу (тобто до зони зварювання) становила 4,3 см, а трубка голки була орієнтована розрізом вгору (тобто паралельно осі Y) , як показано на малюнку.в (рис. 2).
Спеціальний сценарій у MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Массачусетс, США), запущений на комп’ютері (Latitude 7490, Dell Inc., Техас, США), використовувався для створення лінійної синусоїдальної розгортки від 25 до 35 кГц протягом 7 секунд, Цифро-аналоговий (DA) перетворювач (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Вашингтон, США) перетворює сигнал в аналоговий.Потім аналоговий сигнал \(V_0\) (0,5 Vp-p) був посилений за допомогою спеціального підсилювача радіочастот (RF) (Mariachi Oy, Турку, Фінляндія).Падаюча посилена напруга \({V_I}\) від ВЧ-підсилювача з вихідним опором 50 Ом подається на трансформатор, вбудований в структуру голки, з вхідним опором 50 Ом.Перетворювачі Ланжевена (передні та задні багатошарові п’єзоелектричні перетворювачі важкої роботи) використовуються для генерації механічних хвиль.Індивідуальний радіочастотний підсилювач оснащено двоканальним вимірювачем коефіцієнта потужності стоячої хвилі (КСВ), який записує падаючу \({V_I}\) і відбиту посилену напругу\(V_R\) в аналого-цифровому (AD) режимі.з частотою дискретизації конвертера 300 кГц (аналог Discovery 2).Сигнал збудження модулюється по амплітуді на початку і в кінці, щоб запобігти перевантаженню входу підсилювача перехідними процесами.
За допомогою спеціального сценарію, реалізованого в MATLAB, функція частотної характеристики (FRF), тобто \(\tilde{H}(f)\), була оцінена в автономному режимі за допомогою двоканального методу вимірювання синусоїдальної розгортки (рис. 4), який передбачає лінійність у часі.інваріантна система.Крім того, використовується смуговий фільтр від 20 до 40 кГц для видалення будь-яких небажаних частот із сигналу.Посилаючись на теорію ліній передачі, у цьому випадку \(\tilde{H}(f)\) еквівалентний коефіцієнту відбиття напруги, тобто \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) зменшується до \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) дорівнює \(|\rho _{V}|^2\).У випадках, коли потрібні абсолютні значення електричної потужності, потужність падіння \(P_I\) і відбита потужність \(P_R\) потужність (Вт) розраховуються, наприклад, за допомогою середньоквадратичного значення (середньоквадратичне значення) відповідної напруги.для лінії передачі із синусоїдальним збудженням \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, де \(Z_0\) дорівнює 50 \(\Omega\).Електрична потужність, що подається на навантаження \(P_T\) (тобто введене середовище), може бути розрахована як \(|P_I – P_R |\) (Вт RMS), а також ефективність передачі потужності (PTE) і відсоток ( %) можна визначити, як надається форма, тому 27:
Голчасті модальні частоти \(f_{1-3}\) (кГц) і їхні відповідні коефіцієнти передачі потужності \(\text {PTE}_{1{-}3} \) потім оцінюються за допомогою FRF.FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Гц) оцінюється безпосередньо з \(\text {PTE}_{1{-}3}\), з таблиці 1 A односторонній лінійний спектр отримано на описаній модальній частоті \(f_{1-3}\).
Вимірювання частотної характеристики (АЧХ) голчастих структур.Вимірювання синусоїдальної двоканальної розгортки25,38 використовується для отримання функції частотної характеристики \(\tilde{H}(f)\) та її імпульсної характеристики H(t).\({\mathcal {F}}\) і \({\mathcal {F}}^{-1}\) представляють перетворення Фур'є цифрового скорочення та його зворотне перетворення, відповідно.\(\tilde{G}(f)\) означає добуток двох сигналів у частотній області, наприклад \(\tilde{G}_{XrX}\) означає зворотний добуток сканування\(\tilde{ X} r (f)\ ) і падіння напруги \(\tilde{X}(f)\) відповідно.
Як показано на малюнку 5, високошвидкісна камера (Phantom V1612, Vision Research Inc., Нью-Джерсі, США) оснащена макрооб’єктивом (MP-E 65 мм, \(f\)/2,8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Токіо, Японія), щоб записати відхилення кінчика під час збудження згинання (одночастотна, безперервна синусоїда) на частотах 27,5-30 кГц.Щоб створити карту тіней, охолоджений елемент білого світлодіода високої інтенсивності (номер деталі: 4052899910881, білий світлодіод, 3000 К, 4150 лм, Osram Opto Semiconductors GmbH, Регенсбург, Німеччина) розмістили за кінчиком голки.
Вид спереду експериментальної установки.Глибина вимірюється від поверхні середовища.Конструкція голки затискається та монтується на моторизованому транспортному столі.Використовуйте високошвидкісну камеру з об’єктивом із великим збільшенням (5\(\x\)), щоб виміряти косе кутове відхилення.Всі розміри вказані в міліметрах.
Для кожного типу скосу голки ми записали 300 кадрів високошвидкісної камери розміром 128 \(\x\) 128 пікселів, кожен з просторовою роздільною здатністю 1/180 мм (\(\приблизно) 5 мкм), з тимчасова роздільна здатність 310 000 кадрів в секунду.Як показано на малюнку 6, кожен кадр (1) обрізається (2) таким чином, що кінчик голки знаходиться в останньому рядку (внизу) кадру, і обчислюється гістограма зображення (3), тому Canny можна визначити порогові значення 1 і 2.Потім застосуйте виявлення країв Canny 28(4) з оператором Sobel 3 \(\times\) 3 і обчисліть позиції для негіпотенузних пікселів (позначених \(\mathbf {\times }\)) без кавітації 300 часових кроків.Щоб визначити діапазон відхилення вершини, обчисліть похідну (за допомогою алгоритму центральної різниці) (6) і визначте рамку (7), яка містить локальні екстремуми (тобто пік) відхилення.Після візуального огляду краю без кавітації було обрано пару кадрів (або два кадри з інтервалом половини часу) (7) і виміряно відхилення кінчика (позначене як \(\mathbf {\times } \) ).Вищезазначене реалізовано в Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) за допомогою алгоритму виявлення країв OpenCV Canny (v4.5.1, бібліотека комп’ютерного зору з відкритим кодом, opencv.org).Нарешті, коефіцієнт потужності відхилення (DPR, мкм/Вт) розраховується як відношення відхилення від піку до піку до переданої електричної потужності \(P_T\) (Wrms).
Використовуючи 7-етапний алгоритм (1-7), включаючи кадрування (1-2), виявлення країв Canny (3-4), обчислення, виміряйте позицію пікселя краю відхилення кінчика, використовуючи серію кадрів, взятих із високого камера швидкості на 310 кГц ( 5) та її похідна за часом (6), і, нарешті, діапазон відхилення кінчика вимірюється на візуально перевірених парах кадрів (7).
Виміряно в повітрі (22,4-22,9°C), деіонізованій воді (20,8-21,5°C) і 10% (мас./об.) водному балістичному желатині (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Бичачий і свинячий кістковий желатин для балістичного аналізу типу I, Honeywell International, Північна Кароліна, США).Температуру вимірювали за допомогою підсилювача з термопарою K-типу (AD595, Analog Devices Inc., Массачусетс, США) і термопари K-типу (Fluke 80PK-1 Bead Probe № 3648 type-K, Fluke Corporation, Вашингтон, США).Використовуйте вертикальний моторизований предметний столик із віссю Z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Вільнюс, Литва) для вимірювання глибини від поверхні носія (встановленої як початок осі Z) з роздільною здатністю 5 мкм на крок.
Оскільки розмір вибірки був малим (n = 5) і не можна було припустити нормальність, було використано двосторонній тест суми рангів Вілкоксона (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org). щоб порівняти величину відхилення кінчика голки для різних фасок.Для кожного нахилу було зроблено три порівняння, тому було застосовано поправку Бонферроні зі скоригованим рівнем значущості 0,017 і рівнем помилок 5%.
Посилання зроблено на рис. 7 нижче.При 29,75 кГц вигнута половина довжини хвилі (\(\lambda _y/2\)) голки 21-го калібру становить \(\приблизно) 8 мм.Довжина хвилі вигину зменшується вздовж схилу, коли вона наближається до вершини.На кінчику \(\lambda _y/2\) є ступінчасті скоси 3, 1 і 7 мм відповідно для звичайних ланцетів (а), асиметричних (б) і осесиметричних (в).Таким чином, це означає, що ланцет буде відрізнятися на \(\приблизно\) 5 мм (через те, що дві площини ланцета утворюють точку 29,30), асиметричний нахил буде відрізнятися на 7 мм, а симетричний нахил на 1 мм.Осесиметричні схили (центр ваги залишається незмінним, тому вздовж схилу фактично змінюється лише товщина стінки).
Застосування методу FEM на 29,75 кГц і рівняння.(1) Обчисліть зміну напівхвилі вигину (\(\lambda _y/2\)) для ланцетної (a), асиметричної (b) та осесиметричної (c) похилої геометрії (як на рис. 1a,b,c).).Середнє \(\lambda_y/2\) для ланцетного, асиметричного та осесиметричного схилів становить 5,65, 5,17 та 7,52 мм відповідно.Зауважте, що товщина наконечника для асиметричних і осесиметричних фасок обмежена \(\приблизно) 50 мкм.
Пікова рухливість \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) є комбінацією оптимальної довжини труби (TL) і довжини нахилу (BL) (рис. 8, 9).Для звичайного ланцета, оскільки його розмір фіксований, оптимальний TL становить \(\приблизно\) 29,1 мм (рис. 8).Для асиметричних та осесиметричних схилів (рис. 9а, б, відповідно) дослідження МЕК включало BL від 1 до 7 мм, тому оптимальні діапазони TL були від 26,9 до 28,7 мм (діапазон 1,8 мм) та від 27,9 до 29,2 мм (діапазон). 1,3 мм).) ), відповідно.Для асиметричних схилів (рис. 9а) оптимальний TL зростав лінійно, досягаючи плато при BL 4 мм, а потім різко зменшувався від BL 5 до 7 мм.Для осесиметричних схилів (рис. 9b) оптимальна TL лінійно зростає з подовженням BL і остаточно стабілізується на BL від 6 до 7 мм.Розширене дослідження осесиметричних схилів (рис. 9c) показало інший набір оптимальних TL, розташованих на \(\приблизно) 35,1–37,1 мм.Для всіх BL відстань між двома наборами оптимальних TL становить \(\приблизно\) 8 мм (еквівалентно \(\lambda _y/2\)).
Мобільність передачі ланцета на 29,75 кГц.Голкову трубку згинали на частоті 29,75 кГц, вібрацію вимірювали на кінці та виражали як величину переданої механічної рухливості (дБ відносно максимального значення) для TL 26,5-29,5 мм (з кроком 0,1 мм).
Параметричні дослідження FEM на частоті 29,75 кГц показують, що рухливість передачі осесиметричного наконечника менше залежить від змін довжини трубки, ніж його асиметричного аналога.Дослідження довжини скосу (BL) і довжини труби (TL) для асиметричних (a) і осесиметричних (b, c) геометрій скосу в дослідженнях частотної області за допомогою FEM (граничні умови показані на малюнку 2).(a, b) TL коливався від 26,5 до 29,5 мм (з кроком 0,1 мм), а BL 1-7 мм (з кроком 0,5 мм).(c) Розширене осесиметричне дослідження похилого кута, включаючи TL 25-40 мм (з кроком 0,05 мм) і 0,1-7 мм (з кроком 0,1 мм), яке показує бажане співвідношення \(\lambda_y/2\) Умови вільного рухомого краю для наконечника задовольняються.
Структура голки має три власні частоти \(f_{1-3}\), розділені на низькі, середні та високі модальні області, як показано в таблиці 1. Розмір PTE показано на малюнку 10, а потім проаналізовано на малюнку 11. Нижче наведено результати для кожної модальної області:
Типові зареєстровані амплітуди миттєвої ефективності передачі потужності (PTE), отримані за допомогою синусоїдального збудження з частотою розгортки на глибині 20 мм для ланцета (L) і осесиметричних нахилів AX1-3 у повітрі, воді та желатині.Показано однобічний спектр.Виміряна частотна характеристика (частота дискретизації 300 кГц) була відфільтрована на низьких частотах, а потім зменшена в 200 разів для модального аналізу.Відношення сигнал/шум \(\le\) 45 дБ.Фаза PTE (фіолетова пунктирна лінія) показана в градусах (\(^{\circ}\)).
Аналіз модального відгуку показаний на рисунку 10 (середнє ± стандартне відхилення, n = 5) для нахилів L і AX1-3 у повітрі, воді та 10% желатину (глибина 20 мм) із (угорі) трьома модальними областями (низька , середній, високий).), і їхні відповідні модальні частоти\(f_{1-3}\) (кГц), (середня) енергоефективність\(\text {PTE}_{1{-}3 }\) використовує розрахункові рівняння.(4) і (внизу) повна ширина на половині максимального виміряного значення \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Гц), відповідно.Зауважте, що під час запису низького PTE, тобто у випадку нахилу AX2, вимірювання смуги пропускається, \(\text {FWHM}_{1}\).Режим \(f_2\) вважається найбільш придатним для порівняння прогину похилих площин, оскільки він демонструє найвищий рівень ефективності передачі потужності (\(\text {PTE}_{2}\)), аж до 99% .
Перша модальна область: \(f_1\) не сильно залежить від типу вставленого носія, але залежить від геометрії фаски.\(f_1\) зменшується зі зменшенням довжини скосу (27,1, 26,2 і 25,9 кГц для AX1-3, відповідно, у повітрі).Середні регіональні значення \(\text {PTE}_{1}\) і \(\text {FWHM}_{1}\) становлять \(\приблизно\) 81% і 230 Гц відповідно.\(\text {FWHM}_{1}\) був найвищим у желатині від Lancet (L, 473 Гц).Зауважте, що \(\text {FWHM}_{1}\) для AX2 у желатині неможливо оцінити через низьку величину повідомлених частотних характеристик.
Друга модальна область: \(f_2\) залежить від типу пасти та носія з фаскою.У повітрі, воді і желатині середні значення \(f_2\) складають 29,1, 27,9 і 28,5 кГц відповідно.PTE для цього модального регіону також досяг 99%, що є найвищим серед усіх груп вимірювань із середнім регіональним показником 84%.Середня площа \(\text {FWHM}_{2}\) становить \(\приблизно\) 910 Гц.
Третя модальна область: \(f_3\) Частота залежить від типу середовища вставки та фаски.Середні значення \(f_3\) становлять 32,0, 31,0 і 31,3 кГц в повітрі, воді і желатині відповідно.\(\text {PTE}_{3}\) має середній регіональний показник \(\приблизно\) 74%, що є найнижчим показником серед усіх регіонів.Середня регіональна частота \(\text {FWHM}_{3}\) становить \(\приблизно\) 1085 Гц, що вище, ніж у першому та другому регіонах.
Нижче наведено посилання на рис.12 і Таблиця 2. Ланцет (L) найбільше відхилявся (з високою значимістю для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) як у повітрі, так і у воді (рис. 12а), досягаючи найвищого DPR (до 220 мкм/ W у повітрі). 12 і Таблиця 2. Ланцет (L) найбільше відхилявся (з високою значимістю для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) як у повітрі, так і у воді (рис. 12а), досягаючи найвищого DPR (до 220 мкм/ W у повітрі). Наступне відноситься до малюнка 12 і таблиці 2. Ланцет (L) відклонився більше (з високою значущістю для всіх наконечників, \(p<\) 0,017), як у повітрі, так і у воді (рис. 12а), досягнута сама висока ДПР . Наступне стосується рисунка 12 і таблиці 2. Ланцет (L) найбільше відхилявся (з високою значущістю для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) як у повітрі, так і у воді (рис. 12a), досягаючи найвищого DPR.(до 220 мкм/Вт у повітрі).Посилання на малюнок 12 і таблицю 2 нижче.柳叶刀(L) 在空气和水中（图12a）中偏转最大（对所有尖端具有高度意义）,\(p<\) 0,017），实现最高DPR （空气中高达220 мкм/Вт）.柳叶刀(L) має найвищий прогин у повітрі та воді (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017), і досяг найвищого DPR (до 220 мкм/ W у повітрі). Ланцет (L) має найбільше відхилення (всього значуще для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) у повітрі і воді (рис. 12а), досягаючи самого високого DPR (до 220 мкм/Вт у повітрі). Ланцет (L) має найбільше відхилення (високозначуще для всіх наконечників, \(p<\) 0,017) у повітрі та воді (рис. 12а), досягаючи найвищого DPR (до 220 мкм/Вт у повітрі). У повітрі AX1, який мав вищий BL, відхилявся вище, ніж AX2–3 (зі значимістю \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (який мав найнижчий BL) відхилявся більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У повітрі AX1, який мав вищий BL, відхилявся вище, ніж AX2–3 (зі значимістю \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (який мав найнижчий BL) відхилявся більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У повітрі AX1 з більш високим BL відхилявся вище, ніж AX2–3 (з значущістю \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (з найнижчим BL) відхилявся більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У повітрі AX1 з вищим BL відхилявся вище, ніж AX2–3 (зі значимістю \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (з найнижчим BL) відхилявся більше, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт.在空气中，具有较高BL 的AX1 偏转高于AX2-3（具有显着性，\(p<\) 0,017，，AX3(具有最低BL）的偏) AX2, DPR 190 мкм/Вт. У повітрі відхилення AX1 з вищим BL вище, ніж відхилення AX2-3 (значно, \(p<\) 0,017), а відхилення AX3 (з найнижчим BL) вище, ніж відхилення AX2, DPR становить 190 мкм/Вт. У повітрі AX1 з більш високим BL має більше відхилення, ніж AX2-3 (значно, \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (з найменшим BL) має більше відхилення, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У повітрі AX1 з вищим BL має більше відхилення, ніж AX2-3 (значне, \(p<\) 0,017), тоді як AX3 (з найнижчим BL) має більше відхилення, ніж AX2 з DPR 190 мкм/Вт. У воді на глибині 20 мм не було виявлено істотних відмінностей (\(p>\) 0,017) у відхиленні та PTE для AX1–3. У воді на глибині 20 мм не було виявлено істотних відмінностей (\(p>\) 0,017) у відхиленні та PTE для AX1–3. У воді на глибині 20 мм достовірних відмінностей (\(p>\) 0,017) по прогибу і ФТР для AX1–3 не виявлено. У воді на глибині 20 мм були виявлені значні відмінності (\(p>\) 0,017) у відхиленні та FTR для AX1–3.在20 мм 的水中，AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017). У 20 мм води не було значної різниці між AX1-3 і PTE (\(p>\) 0,017). На глибині 20 мм прогиб і PTE AX1-3 істотно не відрізнялися (\(p>\) 0,017). На глибині 20 мм прогин і PTE AX1-3 достовірно не відрізнялися (\(p>\) 0,017).Рівні PTE у воді (90,2–98,4%) були загалом вищими, ніж у повітрі (56–77,5%) (рис. 12c), а під час експерименту у воді було відмічено явище кавітації (рис. 13, див. також додаткові інформація).
Вимірювання амплітуди вигину наконечника (середнє ± стандартне відхилення, n = 5) для фасок L і AX1-3 у повітрі та воді (глибина 20 мм) виявили ефект зміни геометрії фаски.Вимірювання виконуються за допомогою безперервного одночастотного синусоїдального збудження.(a) Пікове відхилення (\(u_y\vec {j}\)) у вершині, виміряне на (b) їх відповідних модальних частотах \(f_2\).(c) Ефективність передачі потужності (PTE, середньоквадратичне значення, %) як рівняння.(4) і (d) Коефіцієнт девіаційної потужності (DPR, мкм/Вт), розрахований як пікове відхилення та потужність передачі \(P_T\) (Wrms).
Типовий графік тіні високошвидкісної камери, що показує загальне відхилення кінчика ланцета (зелені та червоні пунктирні лінії) ланцета (L) і осесиметричного кінчика (AX1-3) у воді (глибина 20 мм), напівперіод, частота приводу \(f_2\) (частота дискретизації 310 кГц).Захоплене зображення в градаціях сірого має розміри 128×128 пікселів із розміром пікселя \(\приблизно) 5 мкм.Відео можна знайти в додатковій інформації.
Таким чином, ми змоделювали зміну довжини хвилі вигину (рис. 7) і розрахували механічну рухливість для перенесення для звичайних ланцетних, асиметричних і осьових комбінацій довжини трубки і фаски (рис. 8, 9).Симетрична скошена геометрія.Виходячи з останнього, ми оцінили оптимальну відстань між наконечником і зварювальним швом у 43 мм (або \(\приблизно\) 2,75\(\lambda_y\) при 29,75 кГц), як показано на малюнку 5, і виготовили три осесиметричні скоси з різні довжини скосу.Потім ми охарактеризували їхні частотні характеристики порівняно зі звичайними ланцетами в повітрі, воді та 10% (мас./об.) балістичного желатину (рис. 10, 11) і визначили найкращий випадок для порівняння режиму відхилення нахилу.Нарешті, ми виміряли відхилення наконечника хвилею вигину в повітрі та воді на глибині 20 мм і кількісно визначили ефективність передачі потужності (PTE, %) і коефіцієнт потужності відхилення (DPR, мкм/Вт) введеного середовища для кожного нахилу.типу (рис. 12).
Результати показують, що вісь нахилу геометрії впливає на амплітуду відхилення осі наконечника.Ланцет мав найвищу кривизну, а також найвищий DPR порівняно з осесиметричним скосом, тоді як осесиметричний скіс мав менше середнє відхилення (рис. 12). Осесиметрична фаска 4 мм (AX1), що має найбільшу довжину скосу, досягла статистично значущого найвищого відхилення в повітрі (\(p <0,017\), таблиця 2), порівняно з іншими осесиметричними голками (AX2–3), але ніяких істотних відмінностей не спостерігалося, коли голка була поміщена у воду. Осесиметрична фаска 4 мм (AX1), що має найбільшу довжину скосу, досягла статистично значущого найвищого відхилення в повітрі (\(p <0,017\), таблиця 2), порівняно з іншими осесиметричними голками (AX2–3), але ніяких істотних відмінностей не спостерігалося, коли голка була поміщена у воду. Осесимметричный скос 4 мм (AX1), що має найбільшу довжину скоса, статистично значущого на більшого відхилення в повітрі (\(p <0,017\), таблиця 2) у порівнянні з іншими осесимметричными іглами (AX2–3). Осесиметричний скіс 4 мм (AX1), що має найбільшу довжину скосу, досягає статистично значущого більшого відхилення в повітрі (\(p <0,017\), таблиця 2) порівняно з іншими осесиметричними голками (AX2–3).але істотних відмінностей не спостерігалося при розміщенні голки у воді.与其他轴对称针(AX2-3) 相比，具有最长斜角长度的轴对称4 мм 斜角(AX1) 在空气中实现了统计上显着的最高偏转(\(p < 0,017\)，表2)，但当将针头放入水中时，没有观察到显着差异。 Порівняно з іншими аксіально-симетричними голками (AX2-3), він має найдовший косий кут 4 мм аксіально-симетричний (AX1) у повітрі, і він досяг статистично значущого максимального відхилення (\(p < 0,017\), таблиця 2) , але коли голку помістили у воду, істотної різниці не спостерігалося. Осесимметричный скос 4 мм (AX1) з найбільшою довжиною скоси забезпечує статистично значуще максимальне відхилення в повітрі в порівнянні з іншими осесимметричными іглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблиця 2), але істотної різниці не було. Осесиметричний нахил із найбільшою довжиною нахилу 4 мм (AX1) забезпечив статистично значуще максимальне відхилення в повітрі порівняно з іншими осесиметричними нахилами (AX2-3) (\(p <0,017\), таблиця 2), але не було істотна різниця.спостерігається, коли голку поміщають у воду.Таким чином, більша довжина фаски не має очевидних переваг з точки зору максимального відхилення вершини.Враховуючи це, виявляється, що геометрія схилу, яка досліджується в цьому дослідженні, має більший вплив на амплітуду прогину, ніж довжина схилу.Це може бути пов’язано з жорсткістю на вигин, наприклад, залежно від матеріалу, який згинається, і загальної товщини будівельної голки.
В експериментальних дослідженнях на величину відбитої згинальної хвилі впливають граничні умови вістря.Коли кінчик голки вставляли у воду та желатин, \(\text {PTE}_{2}\) усереднювало \(\приблизно\) 95%, а \(\text {PTE}_{2}\) усереднювало значення становить 73% і 77% (\text {PTE}_{1}\) і \(\text {PTE}_{3}\), відповідно (рис. 11).Це вказує на те, що максимальна передача акустичної енергії середовищу лиття (наприклад, воді або желатину) відбувається при \(f_2\).Подібна поведінка спостерігалася в попередньому дослідженні з використанням простіших структур пристроїв на частотах 41-43 кГц, де автори продемонстрували коефіцієнт відбиття напруги, пов'язаний з механічним модулем інтеркальованого середовища.Глибина проникнення32 та механічні властивості тканини забезпечують механічне навантаження на голку, і тому очікується, що вони впливатимуть на резонансну поведінку UZeFNAB.Таким чином, алгоритми відстеження резонансу, такі як 17, 18, 33, можна використовувати для оптимізації потужності звуку, що подається через стилус.
Моделювання довжини хвилі вигину (рис. 7) показує, що осесиметричний має вищу структурну жорсткість (тобто більшу жорсткість вигину) на кінчику, ніж ланцетний і асиметричний скіс.Виходячи з (1) і використовуючи відоме співвідношення швидкість-частота, ми оцінюємо жорсткість на вигин ланцетних, асиметричних і осесиметричних наконечників як нахили \(\приблизно) 200, 20 і 1500 МПа відповідно.Це відповідає (\lambda _y\) 5,3, 1,7 і 14,2 мм при 29,75 кГц відповідно (рис. 7a–c).Враховуючи клінічну безпеку процедури USeFNAB, необхідно оцінити вплив геометрії на жорсткість конструкції фаски34.
Дослідження параметрів фаски та довжини труби (рис. 9) показало, що оптимальний діапазон ТЛ для асиметричного (1,8 мм) був вищим, ніж для осесиметричного скосу (1,3 мм).Крім того, плато рухливості коливається від 4 до 4,5 мм і від 6 до 7 мм для асиметричного та осесиметричного нахилу відповідно (рис. 9а, б).Практичне значення цього висновку виражається у виробничих допусках, наприклад, нижчий діапазон оптимального TL може означати потребу у вищій точності довжини.У той же час платформа врожайності забезпечує більший допуск до вибору довжини схилу на заданій частоті без істотного впливу на врожайність.
Дослідження містить такі обмеження.Пряме вимірювання відхилення голки за допомогою визначення країв і високошвидкісного зображення (Малюнок 12) означає, що ми обмежені оптично прозорими середовищами, такими як повітря та вода.Ми також хотіли б зазначити, що ми не використовували експерименти для перевірки змодельованої рухливості перенесення і навпаки, а використовували FEM дослідження для визначення оптимальної довжини виготовленої голки.З точки зору практичних обмежень, довжина ланцета від кінчика до рукава на 0,4 см довша, ніж у інших голок (AX1-3), див. мал.3б.Це могло вплинути на модальну реакцію голчастої структури.Крім того, форма та об’єм хвилевідного свинцевого припою (див. рис. 3) можуть впливати на механічний опір конструкції штифта, що призводить до помилок у механічному опорі та поведінці при вигині.
Нарешті, ми експериментально продемонстрували, що геометрія скосу впливає на величину прогину в USeFNAB.У ситуаціях, коли більш висока амплітуда відхилення може позитивно вплинути на вплив голки на тканину, наприклад, ефективність різання після проколу, для USeFNAB можна рекомендувати звичайний ланцет, оскільки він забезпечує найбільшу амплітуду відхилення при збереженні достатньої жорсткості. на кінчику конструкції.Крім того, нещодавнє дослідження показало, що більший прогин кінчика може посилити біологічні ефекти, такі як кавітація, що може допомогти розробити застосування для мінімально інвазивних хірургічних втручань.З огляду на те, що збільшення загальної акустичної потужності, як було показано, збільшує результативність біопсії з USeFNAB13, необхідні подальші кількісні дослідження виходу та якості зразків, щоб оцінити детальну клінічну користь досліджуваної геометрії голки.
Фрабл, У. Дж. Аспіраційна біопсія тонкою голкою: огляд.Хамф.хворий.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).
Час публікації: 13 жовтня 2022 р