Hình học góc xiên của kim ảnh hưởng đến biên độ uốn cong trong sinh thiết kim nhỏ khuếch đại bằng siêu âm

Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Gần đây người ta đã chứng minh rằng việc sử dụng siêu âm làm tăng năng suất mô trong chọc hút bằng kim nhỏ có sự hỗ trợ của siêu âm (USEFNAB) so với chọc hút bằng kim nhỏ thông thường (FNAB).Cho đến nay, mối quan hệ giữa hình học góc xiên và chuyển động của đầu vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng.Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã nghiên cứu các tính chất của cộng hưởng kim và biên độ lệch đối với các dạng hình học vát kim khác nhau với độ dài vát khác nhau.Sử dụng một mũi nhọn vát 3,9 mm thông thường, hệ số công suất lệch đầu (DPR) trong không khí và nước lần lượt là 220 và 105 µm/W.Giá trị này cao hơn đầu vát đối xứng trục 4mm, cung cấp DPR lần lượt là 180 và 80 µm/W trong không khí và nước.Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của mối quan hệ giữa độ cứng uốn của hình học góc xiên trong bối cảnh các phương tiện chèn khác nhau và do đó có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp kiểm soát hành động cắt sau xuyên thủng bằng cách thay đổi hình học góc xiên của kim, điều này rất quan trọng.đối với ứng dụng USeFNAB là rất quan trọng.
Sinh thiết chọc hút bằng kim nhỏ (FNA) là phương pháp lấy mẫu mô để nghi ngờ bệnh lý1,2,3 bằng cách sử dụng kim.Đầu tip Franseen đã được chứng minh là mang lại hiệu suất chẩn đoán cao hơn so với đầu tip lancet4 và Menghini5 thông thường.Độ dốc đối xứng trục (tức là chu vi) cũng được đề xuất để tăng khả năng có được mẫu vật phù hợp về mặt mô bệnh học.
Trong quá trình sinh thiết, một cây kim được đưa qua các lớp da và mô để tiếp cận các tổn thương đáng ngờ.Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng siêu âm có thể làm giảm lực thâm nhập cần thiết để tiếp cận các mô mềm7,8,9,10.Hình dạng góc xiên của kim đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến lực tương tác của kim, ví dụ, góc xiên dài hơn đã được chứng minh là có lực xuyên qua mô thấp hơn11.Sau khi kim đã xuyên qua bề mặt mô, tức là sau khi đâm thủng, lực cắt của kim có thể bằng 75% lực tương tác của kim với mô12.Người ta đã chứng minh rằng ở giai đoạn sau chọc thủng, siêu âm (siêu âm) làm tăng hiệu quả chẩn đoán sinh thiết mô mềm.Các kỹ thuật sinh thiết xương tăng cường siêu âm khác đã được phát triển để lấy mẫu mô cứng, nhưng không có kết quả nào được báo cáo là cải thiện năng suất sinh thiết.Nhiều nghiên cứu cũng đã xác nhận rằng chuyển vị cơ học tăng lên khi chịu tác động của siêu âm16,17,18.Mặc dù có nhiều nghiên cứu về lực tĩnh dọc trục (dọc) trong tương tác mô-kim19,20, nhưng có những nghiên cứu hạn chế về động lực học thời gian và hình học của góc xiên kim dưới siêu âm FNAB (USEFNAB).
Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng của các dạng hình học góc xiên khác nhau đến chuyển động của đầu kim trong kim được điều khiển bằng uốn siêu âm.Đặc biệt, chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường tiêm đến độ lệch của đầu kim sau khi đâm thủng đối với vát kim truyền thống (tức là kim USeFNAB cho các mục đích khác nhau như hút chọn lọc hoặc thu nhận mô mềm.
Nhiều hình học vát khác nhau đã được đưa vào nghiên cứu này.(a) Thông số kỹ thuật của Lancet tuân thủ ISO 7864:201636 trong đó \(\alpha\) là góc xiên chính, \(\theta\) là góc quay của góc xiên phụ và \(\phi\) là góc xiên thứ cấp góc., khi quay, tính bằng độ (\(^\circ\)).(b) Các mặt vát một bước không đối xứng tuyến tính (được gọi là “tiêu chuẩn” trong DIN 13097:201937) và (c) Các mặt vát một bước đối xứng trục tuyến tính (chu vi).
Cách tiếp cận của chúng tôi bắt đầu bằng cách mô hình hóa sự thay đổi bước sóng uốn dọc theo góc xiên đối với hình học vát một giai đoạn hình mũi mác thông thường, đối xứng trục và không đối xứng.Sau đó, chúng tôi đã tính toán một nghiên cứu tham số để kiểm tra ảnh hưởng của độ dốc và chiều dài ống đến tính lưu động cơ học của quá trình truyền.Điều này là cần thiết để xác định độ dài tối ưu để chế tạo một chiếc kim nguyên mẫu.Dựa trên mô phỏng, các nguyên mẫu kim đã được chế tạo và đặc tính cộng hưởng của chúng được mô tả bằng thực nghiệm bằng cách đo hệ số phản xạ điện áp và tính hiệu suất truyền năng lượng trong không khí, nước và gelatin đạn đạo 10% (w/v), từ đó xác định tần số hoạt động. .Cuối cùng, hình ảnh tốc độ cao được sử dụng để đo trực tiếp độ lệch của sóng uốn ở đầu kim trong không khí và nước, cũng như ước tính công suất điện được cung cấp ở mỗi góc xiên và dạng hình học của tỷ số công suất lệch ( DPR) vào môi trường được tiêm..
Như trong Hình 2a, sử dụng ống đo 21 (OD 0,80 mm, ID 0,49 mm, độ dày thành ống 0,155 mm, thành tiêu chuẩn) để xác định ống kim có chiều dài ống (TL) và góc vát (BL) theo tiêu chuẩn ISO 9626:201621) bằng thép không gỉ 316 (mô đun Young 205 \(\text {GN/m}^{2}\), mật độ 8070 kg/m\(^{3}\) và tỷ lệ Poisson 0,275 ).
Xác định bước sóng uốn và điều chỉnh mô hình phần tử hữu hạn (FEM) cho các điều kiện kim và biên.(a) Xác định chiều dài góc xiên (BL) và chiều dài ống (TL).( b ) Mô hình phần tử hữu hạn ba chiều (3D) (FEM) sử dụng lực điểm điều hòa \(\tilde{F__y\vec {j}\) để lái kim đến gần, làm lệch điểm và đo vận tốc tại tip (\ ( \tilde {u y\vec {j}\), \(\tilde{v y\vec {j}\)) để tính toán sự chuyển giao tính lưu động cơ học.\(\lambda _y\) được định nghĩa là bước sóng uốn so với lực thẳng đứng \(\tilde{F}y\vec {j}\).(c) Định nghĩa trọng tâm, diện tích mặt cắt ngang A và mô men quán tính \(I_{xx}\) và \(I_{yy}\) lần lượt xung quanh trục x và y.
Như thể hiện trong hình.2b,c, đối với chùm tia vô hạn (vô hạn) có diện tích mặt cắt ngang A và ở bước sóng lớn hơn kích thước mặt cắt ngang của chùm tia, vận tốc pha bị uốn cong (hoặc bị uốn cong) \( c_{EI }\) được xác định bằng 22 :
trong đó E là mô đun Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) là tần số góc kích thích (rad/s), trong đó \( f_0 \ ) là tần số tuyến tính (1/s hoặc Hz), I là mômen quán tính của diện tích xung quanh trục quan tâm\((\text {m}^{4})\), \(m'=\ rho _0 A\ ) là khối lượng trên đơn vị chiều dài (kg/m), trong đó \(\rho _0\) là mật độ\((\text {kg/m}^{3})\) và A là chữ thập phần của vùng chùm tia (mặt phẳng xy) (\(\ text {m}^{2}\)).Vì lực tác dụng trong ví dụ của chúng ta song song với trục y thẳng đứng, tức là \(\tilde{F y\vec {j}\), nên chúng ta chỉ quan tâm đến mômen quán tính khu vực xung quanh trục x nằm ngang, tức là \(I_{xx}\), vì vậy:
Đối với mô hình phần tử hữu hạn (FEM), giả sử độ dịch chuyển hài hòa thuần túy (m), do đó gia tốc (\(\text {m/s}^{2}\)) được biểu thị dưới dạng \(\partial ^2 \vec { u}/ \ một phần t^2 = -\omega ^2\vec {u}\) as \(\vec {u}(x, y, z, t): = u_x\vec {i} + u_y\ vec {j } + u_z\vec {k}\) là vectơ dịch chuyển ba chiều được cho trong tọa độ không gian.Thay vì dạng thứ hai, theo cách triển khai trong gói phần mềm COMSOL Multiphysical (phiên bản 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), dạng Lagrange biến dạng hữu hạn của định luật cân bằng động lượng được đưa ra như sau:
trong đó \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) là toán tử phân kỳ tensor, \({\underline{\sigma}}\) là tensor ứng suất Piola-Kirchhoff thứ hai (bậc thứ hai, \(\ text { N/ m}^{2}\)) và \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec {k} \) là vectơ lực khối (\(\text {N/m}^{3}\)) cho mỗi thể tích bị biến dạng và \(e^{j\phi }\) là vectơ góc pha\(\ phi \ ) ( vui mừng).Trong trường hợp của chúng ta, lực thể tích của vật bằng 0, mô hình của chúng ta giả sử tuyến tính hình học và một biến dạng đàn hồi nhỏ thuần túy, tức là , trong đó \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) và \({\underline {\varepsilon}}\) lần lượt là biến dạng đàn hồi và biến dạng toàn phần (bậc hai, không thứ nguyên).Tenxơ đàn hồi đẳng hướng cấu thành của Hooke \(\underline{\underline{C}}\) được tính bằng cách sử dụng mô đun Young E (\(\text {N/m}^{2}\)) và tỷ lệ Poisson v được xác định, vì vậy tức là \(\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (bậc thứ tư).Vì vậy, phép tính ứng suất trở thành \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Phép tính sử dụng phần tử tứ diện 10 nút có kích thước phần tử \(\le\) là 8 µm.Kim được mô hình hóa trong chân không và giá trị của độ linh động cơ học được truyền (ms-1 N-1) được xác định là \(|\tilde{Y} _{v_yF_y}|= |\tilde{v}y\vec { j}|/ |\ dấu ngã{F__y\vec {j}|\)24, trong đó \(\tilde{v y\vec {j}\) là vận tốc phức tạp đầu ra của tay khoan và \( \ dấu ngã {F y\ vec {j }\) là một động lực phức tạp nằm ở đầu gần của ống, như trong Hình 2b.Dịch độ lưu động cơ học tính bằng decibel (dB) bằng cách sử dụng giá trị tối đa làm tham chiếu, tức là \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y} _{max}|) \ ) .Tất cả các nghiên cứu FEM được thực hiện ở tần số 29,75 kHz.
Thiết kế của kim (Hình 3) bao gồm một kim tiêm dưới da 21 thước thông thường (Mã hàng 4665643, Sterican\(^\circledR\), đường kính ngoài 0,8 mm, dài 120 mm, thép không gỉ crom-niken AISI 304 thép, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Đức) được trang bị ống bọc Luer Lock bằng nhựa làm bằng polypropylen ở đầu gần và được sửa đổi phù hợp ở đầu.Ống kim được hàn vào ống dẫn sóng như trong Hình 3b.Các ống dẫn sóng được in trên máy in 3D bằng thép không gỉ (thép không gỉ EOS 316L trên máy in 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Phần Lan) và sau đó gắn vào cảm biến Langevin bằng bu lông M4.Cảm biến Langevin bao gồm 8 phần tử vòng áp điện được nạp hai khối lượng ở hai đầu.
Bốn loại đầu (ảnh), một mũi nhọn có bán trên thị trường (L) và ba loại vát một tầng đối xứng trục được sản xuất (AX1-3) được đặc trưng bởi chiều dài vát (BL) lần lượt là 4, 1,2 và 0,5 mm.(a) Cận cảnh đầu kim đã hoàn thiện.(b) Mặt trên của bốn chân được hàn vào ống dẫn sóng in 3D và sau đó được kết nối với cảm biến Langevin bằng bu lông M4.
Ba đầu vát đối xứng trục (Hình 3) đã được sản xuất (TAs Machine Tools Oy) với chiều dài vát (BL, như được định nghĩa trong Hình 2a) là 4,0, 1,2 và 0,5 mm, tương ứng với \(\approx) 2 \(^ \ Circ\), 7\(^\circ\) và 18\(^\circ\) tương ứng.Khối lượng của ống dẫn sóng và kim lần lượt là 3,4 ± 0,017 g (trung bình ± sd, n = 4) đối với góc xiên L và AX1-3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Đức) .Đối với các góc xiên L và AX1-3 trong Hình 3b, tổng chiều dài từ đầu kim đến cuối ống bọc nhựa lần lượt là 13,7, 13,3, 13,3 và 13,3 cm.
Đối với tất cả các cấu hình kim, chiều dài từ đầu kim đến đầu ống dẫn sóng (tức là đến khu vực hàn) là 4,3 cm và ống kim được định hướng với đường cắt hướng lên trên (tức là song song với trục Y) , như thể hiện trong hình.c (Hình 2).
Một tập lệnh tùy chỉnh trong MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) chạy trên máy tính (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) đã được sử dụng để tạo ra quét hình sin tuyến tính từ 25 đến 35 kHz trong 7 giây, chuyển Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA) chuyển đổi thành tín hiệu tương tự.Tín hiệu tương tự \(V_0\) (0,5 Vp-p) sau đó được khuếch đại bằng bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF) chuyên dụng (Mariachi Oy, Turku, Phần Lan).Điện áp khuếch đại giảm \({V_I}\) từ bộ khuếch đại RF có trở kháng đầu ra là 50 ohm được đưa đến máy biến áp tích hợp trong cấu trúc kim có trở kháng đầu vào là 50 ohm.Đầu dò Langevin (đầu dò áp điện đa lớp hạng nặng phía trước và phía sau) được sử dụng để tạo ra sóng cơ học.Bộ khuếch đại RF tùy chỉnh được trang bị máy đo hệ số công suất sóng đứng (SWR) kênh đôi để ghi lại sự cố \({V_I}\) và điện áp khuếch đại phản xạ\(V_R\) ở chế độ tương tự sang kỹ thuật số (AD).với tốc độ lấy mẫu là Bộ chuyển đổi 300 kHz (khám phá tương tự 2).Tín hiệu kích thích được điều chế biên độ ở đầu và cuối để tránh làm quá tải đầu vào bộ khuếch đại do quá độ.
Bằng cách sử dụng tập lệnh tùy chỉnh được triển khai trong MATLAB, hàm đáp ứng tần số (FRF), tức là \(\tilde{H}(f)\), được ước tính ngoại tuyến bằng phương pháp đo quét hình sin hai kênh (Hình 4), giả sử tuyến tính theo thời gian.hệ bất biến.Ngoài ra, bộ lọc thông dải 20 đến 40 kHz được áp dụng để loại bỏ mọi tần số không mong muốn khỏi tín hiệu.Xét theo lý thuyết về đường truyền, trong trường hợp này \(\tilde{H}(f)\) tương đương với hệ số phản xạ điện áp, tức là \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I}\ ) \) giảm xuống \({V_R}^ 2 /{V_I}^2\ ) bằng \(|\rho _{V}|^2\).Trong trường hợp cần có giá trị công suất điện tuyệt đối, công suất tới \(P_I\) và công suất phản xạ \(P_R\) (W) được tính bằng cách lấy giá trị rms (rms) của điện áp tương ứng chẳng hạn.đối với đường truyền có kích thích hình sin \( P = {V}^2/(2Z_0)\)26, trong đó \(Z_0\) bằng 50 \(\Omega\).Công suất điện cung cấp cho tải \(P_T\) (tức là môi trường được chèn) có thể được tính bằng \(|P_I – P_R |\) (W RMS), cũng như hiệu suất truyền tải điện (PTE) và tỷ lệ phần trăm ( %) có thể được xác định hình dạng được đưa ra như thế nào, vì vậy 27:
Sau đó, các tần số phương thức hình kim \(f_{1-3}\) (kHz) và hệ số truyền công suất tương ứng \(\text {PTE__{1{-}3} \) sau đó được ước tính bằng FRF.FWHM (\(\text {FWHM__{1{-}3}\), Hz) được ước tính trực tiếp từ \(\text {PTE__{1{-}3}\), từ Bảng 1 A một chiều phổ tuyến tính thu được ở tần số phương thức được mô tả \(f_{1-3}\).
Đo đáp ứng tần số (AFC) của cấu trúc kim.Phép đo quét hai kênh hình sin25,38 được sử dụng để thu được hàm đáp ứng tần số \(\tilde{H}(f)\) và đáp ứng xung H(t) của nó.\({\mathcal {F}}\) và \({\mathcal {F}}^{-1}\) lần lượt biểu thị biến đổi Fourier của phép cắt ngắn số và nghịch đảo của nó.\(\tilde{G}(f)\) có nghĩa là tích của hai tín hiệu trong miền tần số, ví dụ \(\tilde{G__{XrX}\) có nghĩa là sản phẩm quét nghịch đảo\(\tilde{ X} r (f)\ ) và điện áp rơi \(\tilde{X}(f)\) tương ứng.
Như minh họa trong Hình 5, máy ảnh tốc độ cao (Phantom V1612, Vision Research Inc., NJ, USA) được trang bị ống kính macro (MP-E 65mm, \(f\)/2.8, 1-5\).(\times\), Canon Inc., Tokyo, Nhật Bản), để ghi lại độ lệch của đầu trong quá trình kích thích uốn (tần số đơn, hình sin liên tục) ở tần số 27,5-30 kHz.Để tạo bản đồ bóng, một phần tử làm mát của đèn LED trắng cường độ cao (số bộ phận: 4052899910881, đèn LED trắng, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Đức) được đặt phía sau đầu kim.
Mặt trước của thiết lập thử nghiệm.Độ sâu được đo từ bề mặt của môi trường.Cấu trúc kim được kẹp và gắn trên bàn chuyển động có động cơ.Sử dụng camera tốc độ cao với ống kính có độ phóng đại cao (5\(\x\)) để đo độ lệch góc xiên.Mọi thư được đo băng Mi-li-met.
Đối với mỗi loại góc xiên kim, chúng tôi đã ghi lại 300 khung hình của camera tốc độ cao có kích thước 128 \(\x\) 128 pixel, mỗi khung hình có độ phân giải không gian là 1/180 mm (\(\khoảng) 5 µm), với độ phân giải thời gian 310.000 khung hình mỗi giây.Như được hiển thị trong Hình 6, mỗi khung hình (1) được cắt (2) sao cho đầu kim nằm ở dòng cuối cùng (dưới cùng) của khung và biểu đồ của hình ảnh (3) được tính toán, do đó Canny ngưỡng 1 và 2 có thể được xác định.Sau đó, áp dụng tính năng phát hiện cạnh Canny 28(4) với toán tử Sobel 3 \(\times\) 3 và tính toán vị trí cho các pixel không cạnh huyền (được gắn nhãn \(\mathbf {\times }\)) mà không tạo bọt 300 bước thời gian.Để xác định phạm vi độ lệch đầu, hãy tính đạo hàm (sử dụng thuật toán sai phân trung tâm) (6) và xác định hệ quy chiếu (7) chứa các điểm cực trị cục bộ (tức là đỉnh) của độ lệch.Sau khi kiểm tra trực quan cạnh không có bọt khí, một cặp khung (hoặc hai khung có khoảng thời gian là một nửa) đã được chọn (7) và độ lệch của đầu được đo (ký hiệu là \(\mathbf {\times } \) ).Phần trên được triển khai bằng Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) bằng thuật toán phát hiện cạnh OpenCV Canny (v4.5.1, thư viện thị giác máy tính nguồn mở, opencv.org).Cuối cùng, hệ số công suất độ lệch (DPR, µm/W) được tính bằng tỷ số giữa độ lệch từ đỉnh đến đỉnh với công suất điện truyền \(P_T\) (Wrms).
Sử dụng thuật toán 7 bước (1-7), bao gồm cắt xén (1-2), phát hiện cạnh Canny (3-4), tính toán, đo vị trí pixel của cạnh lệch đầu bằng cách sử dụng chuỗi khung hình được lấy từ máy ảnh cao cấp. camera tốc độ ở tần số 310 kHz ( 5) và đạo hàm thời gian của nó (6), và cuối cùng, phạm vi độ lệch đầu được đo trên các cặp khung hình được kiểm tra trực quan (7).
Đo trong không khí (22,4-22,9°C), nước khử ion (20,8-21,5°C) và 10% (w/v) gelatin đạn đạo dạng nước (19,7-23,0°C , \(\text {Honeywell}^{ \ text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatin xương bò và thịt lợn dùng cho phân tích đạn đạo loại I, Honeywell International, North Carolina, USA).Nhiệt độ được đo bằng bộ khuếch đại cặp nhiệt điện loại K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) và cặp nhiệt điện loại K (Đầu dò hạt Fluke 80PK-1 số 3648 loại-K, Fluke Corporation, Washington, Hoa Kỳ).Sử dụng bệ trục Z có động cơ thẳng đứng (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lithuania) để đo độ sâu từ bề mặt vật liệu (được đặt làm điểm gốc của trục Z) với độ phân giải 5 µm mỗi bước.
Do kích thước mẫu nhỏ (n = 5) và không thể giả định tính quy tắc, nên thử nghiệm tổng xếp hạng Wilcoxon hai đuôi hai mẫu (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project.org) đã được sử dụng để so sánh mức độ chênh lệch của đầu kim cho các góc xiên khác nhau.Ba so sánh được thực hiện cho mỗi độ dốc, do đó, hiệu chỉnh Bonferroni được áp dụng với mức ý nghĩa được điều chỉnh là 0,017 và tỷ lệ lỗi là 5%.
Tham khảo hình 7 bên dưới.Ở tần số 29,75 kHz, nửa bước sóng cong (\(\lambda _y/2\)) của kim 21 thước là \(\xấp xỉ) 8 mm.Bước sóng uốn giảm dọc theo độ dốc khi nó tiến đến đỉnh.Ở đầu \(\lambda _y/2\) có các góc xiên lần lượt là 3, 1 và 7 mm đối với các mũi trích thông thường (a), không đối xứng (b) và đối xứng trục (c).Do đó, điều này có nghĩa là mũi trích sẽ khác nhau \(\khoảng\) 5 mm (do thực tế là hai mặt phẳng của mũi trích tạo thành một điểm 29,30), độ dốc không đối xứng sẽ thay đổi 7 mm và độ dốc đối xứng bằng 1 mm.Độ dốc đối xứng trục (trọng tâm không đổi nên chỉ có độ dày thành thực sự thay đổi dọc theo độ dốc).
Ứng dụng nghiên cứu FEM ở tần số 29,75 kHz và phương trình.(1) Tính toán sự thay đổi nửa sóng uốn (\(\lambda _y/2\)) cho hình học xiên (a), không đối xứng (b) và đối xứng trục (c) (như trong Hình 1a, b, c).).Giá trị trung bình \(\lambda_y/2\) cho các độ dốc hình mũi mác, không đối xứng và đối xứng trục lần lượt là 5,65, 5,17 và 7,52 mm.Lưu ý rằng độ dày đầu đối với các góc xiên không đối xứng và đối xứng trục được giới hạn ở \(\khoảng) 50 µm.
Độ linh động cực đại \(|\tilde{Y} _{v_yF_y}|\) là sự kết hợp giữa chiều dài ống tối ưu (TL) và chiều dài nghiêng (BL) (Hình 8, 9).Đối với một mũi trích thông thường, vì kích thước của nó là cố định nên TL tối ưu là \(\approx\) 29,1 mm (Hình 8).Đối với độ dốc không đối xứng và đối xứng trục (Hình 9a, b, tương ứng), nghiên cứu FEM bao gồm BL từ 1 đến 7 mm, do đó, phạm vi TL tối ưu là từ 26,9 đến 28,7 mm (phạm vi 1,8 mm) và từ 27,9 đến 29,2 mm (phạm vi 1,3mm).) ), tương ứng.Đối với độ dốc không đối xứng (Hình 9a), TL tối ưu tăng tuyến tính, đạt mức ổn định ở BL 4 mm, sau đó giảm mạnh từ BL 5 xuống 7 mm.Đối với độ dốc đối xứng trục (Hình 9b), TL tối ưu tăng tuyến tính với độ giãn dài BL và cuối cùng ổn định ở BL từ 6 đến 7 mm.Một nghiên cứu mở rộng về độ dốc đối xứng trục (Hình 9c) cho thấy một tập hợp TL tối ưu khác nằm ở \(\xấp xỉ) 35,1–37,1 mm.Đối với tất cả các BL, khoảng cách giữa hai bộ TL tối ưu là \(\approx\) 8 mm (tương đương với \(\lambda _y/2\)).
Khả năng di chuyển của đường truyền Lancet ở tần số 29,75 kHz.Ống kim được uốn ở tần số 29,75 kHz, độ rung được đo ở phần cuối và biểu thị bằng mức độ dịch chuyển cơ học truyền qua (dB so với giá trị tối đa) đối với TL 26,5-29,5 mm (bước 0,1 mm).
Các nghiên cứu tham số của FEM ở tần số 29,75 kHz cho thấy độ linh động truyền của đầu đối xứng trục ít bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về chiều dài của ống so với đối tác không đối xứng của nó.Nghiên cứu độ dài góc xiên (BL) và chiều dài ống (TL) cho hình học góc xiên không đối xứng (a) và đối xứng trục (b, c) trong nghiên cứu miền tần số sử dụng FEM (các điều kiện biên được hiển thị trong Hình 2).(a, b) TL dao động trong khoảng từ 26,5 đến 29,5 mm (bước 0,1 mm) và BL 1-7 mm (bước 0,5 mm).(c) Nghiên cứu góc xiên đối xứng trục mở rộng bao gồm TL 25-40mm (bước 0,05mm) và 0,1-7mm (bước 0,1mm) cho thấy tỷ lệ mong muốn \(\lambda_y/2\) Các điều kiện biên chuyển động lỏng lẻo cho đầu được thỏa mãn.
Cấu trúc kim có ba tần số tự nhiên \(f_{1-3}\) được chia thành các vùng modal thấp, trung bình và cao như trong Bảng 1. Kích thước PTE được thể hiện trong Hình 10 và sau đó được phân tích trong Hình 11. Dưới đây là kết quả cho từng khu vực phương thức:
Biên độ hiệu suất truyền công suất tức thời (PTE) điển hình được ghi lại thu được bằng cách sử dụng kích thích hình sin với tần số quét ở độ sâu 20 mm đối với mũi trích (L) và độ dốc đối xứng trục AX1-3 trong không khí, nước và gelatin.Quang phổ một phía được hiển thị.Đáp ứng tần số đo được (tốc độ mẫu 300 kHz) được lọc thông thấp và sau đó được lấy mẫu xuống theo hệ số 200 để phân tích phương thức.Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm là \(\le\) 45 dB.Pha PTE (đường chấm màu tím) được hiển thị bằng độ (\(^{\circ}\)).
Phân tích phản ứng phương thức được thể hiện trong Hình 10 (trung bình ± độ lệch chuẩn, n = 5) đối với độ dốc L và AX1-3 trong không khí, nước và 10% gelatin (độ sâu 20 mm) với (trên cùng) ba vùng phương thức (thấp , Trung bình khá).) và tần số phương thức tương ứng của chúng\(f_{1-3}\) (kHz), hiệu suất năng lượng (trung bình)\(\text {PTE__{1{-}3 }\) sử dụng các phương trình thiết kế.(4) và (dưới cùng) lần lượt là toàn bộ chiều rộng bằng một nửa giá trị đo tối đa \(\text {FWHM__{1{-}3}\) (Hz).Lưu ý rằng khi ghi PTE thấp, tức là trong trường hợp độ dốc AX2, phép đo băng thông sẽ bị bỏ qua, \(\text {FWHM__{1}\).Chế độ \(f_2\) được coi là phù hợp nhất để so sánh độ lệch của mặt phẳng nghiêng, vì nó thể hiện mức hiệu suất truyền công suất cao nhất (\(\text {PTE__{2}\)), lên tới 99%.
Vùng phương thức đầu tiên: \(f_1\) không phụ thuộc nhiều vào loại phương tiện được chèn mà phụ thuộc vào hình dạng góc xiên.\(f_1\) giảm khi độ dài góc xiên giảm (lần lượt là 27,1, 26,2 và 25,9 kHz đối với AX1-3 trong không khí).Mức trung bình trong khu vực \(\text {PTE__{1}\) và \(\text {FWHM__{1}\) lần lượt là \(\approx\) 81% và 230 Hz.\(\text {FWHM__{1}\) có hàm lượng gelatin cao nhất từ ​​Lancet (L, 473 Hz).Lưu ý rằng \(\text {FWHM__{1}\) cho AX2 trong gelatin không thể ước tính được do cường độ đáp ứng tần số được báo cáo thấp.
Vùng phương thức thứ hai: \(f_2\) phụ thuộc vào loại phương tiện dán và góc xiên.Trong không khí, nước và gelatin, giá trị trung bình \(f_2\) ​​lần lượt là 29,1, 27,9 và 28,5 kHz.PTE cho khu vực phương thức này cũng đạt 99%, cao nhất trong số tất cả các nhóm đo lường, với mức trung bình của khu vực là 84%.Trung bình của khu vực \(\text {FWHM__{2}\) là \(\approx\) 910 Hz.
Vùng phương thức thứ ba: \(f_3\) Tần số phụ thuộc vào loại phương tiện chèn và góc xiên.Giá trị trung bình \(f_3\) ​​lần lượt là 32,0, 31,0 và 31,3 kHz trong không khí, nước và gelatin.\(\text {PTE__{3}\) có mức trung bình trong khu vực là \(\khoảng\) 74%, mức thấp nhất so với bất kỳ khu vực nào.Tần số trung bình của khu vực \(\text {FWHM__{3}\) là \(\khoảng\) 1085 Hz, cao hơn khu vực thứ nhất và thứ hai.
Sau đây đề cập đến hình.12 và Bảng 2. Mũi trích (L) bị lệch nhiều nhất (có ý nghĩa cao đối với tất cả các đầu, \(p<\) 0,017) trong cả không khí và nước (Hình 12a), đạt DPR cao nhất (lên tới 220 µm/ W trong không khí). 12 và Bảng 2. Mũi trích (L) bị lệch nhiều nhất (có ý nghĩa cao đối với tất cả các đầu, \(p<\) 0,017) trong cả không khí và nước (Hình 12a), đạt DPR cao nhất (lên tới 220 µm/ W trong không khí). Следующее относится к рисунку 12 và таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью ля всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Những điều sau đây áp dụng cho Hình 12 và Bảng 2. Lancet (L) bị lệch nhiều nhất (có ý nghĩa cao đối với tất cả các đầu, \(p<\) 0,017) trong cả không khí và nước (Hình 12a), đạt được DPR cao nhất.(làm 220 μm/W trong không khí).Tham khảo Hình 12 và Bảng 2 dưới đây.DPR （空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) có độ lệch cao nhất trong không khí và nước (图12a) (对所述尖端是对尖端是是电影,\(p<\) 0,017) và đạt DPR cao nhất (lên tới 220 µm/ W trong không khí). Ланцет (L) имеет наибольшее отклонение (весьма значимое для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), dành cho DPR (до 220 mкм/Вт в воздухе). Lancet (L) có độ lệch lớn nhất (rất có ý nghĩa đối với tất cả các đầu, \(p<\) 0,017) trong không khí và nước (Hình 12a), đạt DPR cao nhất (lên tới 220 µm/W trong không khí). Trong không khí, AX1 có BL cao hơn, bị lệch cao hơn AX2–3 (có ý nghĩa \(p<\) 0,017), trong khi AX3 (có BL thấp nhất) bị lệch nhiều hơn AX2 với DPR là 190 µm/W. Trong không khí, AX1 có BL cao hơn, bị lệch cao hơn AX2–3 (có ý nghĩa \(p<\) 0,017), trong khi AX3 (có BL thấp nhất) bị lệch nhiều hơn AX2 với DPR là 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым ни зким BL) отклонялся больше, чем AX2 với DPR 190 mm/Вт. Trong không khí, AX1 có BL cao hơn bị lệch cao hơn AX2–3 (có ý nghĩa \(p<\) 0,017), trong khi AX3 (có BL thấp nhất) bị lệch nhiều hơn AX2 với 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）的偏转大于AX2, DPR 为190 µm/W。 Trong không khí, độ lệch của AX1 có BL cao hơn cao hơn AX2-3 (đáng kể \(p<\) 0,017) và độ lệch của AX3 (có BL thấp nhất) cao hơn AX2, DPR là 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высокимо BL имеет большее отклонение, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым ни зким BL) đã sử dụng thiết bị của mình, AX2 với DPR 190 mm/Вт. Trong không khí, AX1 có BL cao hơn có độ lệch lớn hơn AX2-3 (đáng kể, \(p<\) 0,017), trong khi AX3 (có BL thấp nhất) có độ lệch lớn hơn AX2 với DPR là 190 μm/W. Trong nước ở độ sâu 20 mm, không tìm thấy sự khác biệt đáng kể (\(p>\) 0,017) về độ võng và PTE đối với AX1–3. Trong nước ở độ sâu 20 mm, không tìm thấy sự khác biệt đáng kể (\(p>\) 0,017) về độ võng và PTE đối với AX1–3. Tôi đang ở mức 20 phút để đạt được mức tăng trưởng (\(p>\) 0,017) đã sử dụng và ФТР для AX1–3 không phải là обнаружено. Trong nước ở độ sâu 20 mm, người ta đã phát hiện thấy sự khác biệt đáng kể (\(p>\) 0,017) về độ lệch và FTR đối với AX1–3.20 mm 的水中,AX1-3 的挠度和PTE 没有显着差异(\(p>\) 0,017)。 Trong 20 mm nước, không có sự khác biệt đáng kể giữa AX1-3 và PTE (\(p>\) 0,017). На глубине 20 mm прогиб и PTE AX1-3 существенно не отличались (\(p>\) 0,017). Ở độ sâu 20 mm độ võng và PTE AX1-3 không khác biệt đáng kể (\(p>\) 0,017).Mức PTE trong nước (90,2–98,4%) nhìn chung cao hơn trong không khí (56–77,5%) (Hình 12c) và hiện tượng xâm thực đã được ghi nhận trong quá trình thí nghiệm trong nước (Hình 13, xem thêm thông tin).
Các phép đo biên độ uốn đầu tip (trung bình ± độ lệch chuẩn, n = 5) đối với mặt vát L và AX1-3 trong không khí và nước (độ sâu 20 mm) cho thấy tác động của việc thay đổi hình dạng mặt vát.Các phép đo thu được bằng cách sử dụng kích thích hình sin tần số đơn liên tục.(a) Độ lệch cực đại (\(u_y\vec {j}\)) tại đỉnh, được đo tại (b) tần số phương thức tương ứng của chúng \(f_2\).(c) Hiệu suất truyền tải điện (PTE, rms, %) là một phương trình.(4) và (d) Hệ số công suất sai lệch (DPR, µm/W) được tính bằng độ lệch cực đại và công suất phát \(P_T\) (Wrms).
Biểu đồ bóng điển hình của camera tốc độ cao hiển thị tổng độ lệch của đầu kim (đường chấm màu xanh lá cây và màu đỏ) của đầu kim (L) và đầu đối xứng trục (AX1-3) trong nước (độ sâu 20 mm), nửa chu kỳ, tần số truyền động \(f_2\) (lấy mẫu tần số 310 kHz).Hình ảnh thang độ xám được chụp có kích thước 128×128 pixel với kích thước pixel là \(\xấp xỉ) 5 µm.Video có thể được tìm thấy trong thông tin bổ sung.
Do đó, chúng tôi đã lập mô hình sự thay đổi bước sóng uốn (Hình 7) và tính toán độ linh động cơ học để truyền đối với các kết hợp lanceolate, không đối xứng và trục thông thường của chiều dài ống và góc xiên (Hình 8, 9).Hình học vát đối xứng.Dựa trên điều sau, chúng tôi ước tính khoảng cách từ đầu đến mối hàn tối ưu là 43 mm (hoặc \(\approx\) 2,75\(\lambda_y\) ở 29,75 kHz) như trong Hình 5 và chế tạo ba góc xiên đối xứng trục với độ dài góc xiên khác nhau.Sau đó, chúng tôi mô tả đặc điểm đáp ứng tần số của chúng so với các mũi trích thông thường trong không khí, nước và gelatin đạn đạo 10% (w/v) (Hình 10, 11) và xác định trường hợp tốt nhất để so sánh chế độ lệch nghiêng.Cuối cùng, chúng tôi đã đo độ lệch của đầu bằng sóng uốn trong không khí và nước ở độ sâu 20 mm và định lượng hiệu suất truyền công suất (PTE, %) và hệ số công suất lệch (DPR, µm/W) của môi trường được bơm cho mỗi độ nghiêng.loại (Hình 12).
Kết quả cho thấy trục nghiêng của hình học ảnh hưởng đến độ lệch biên độ của trục đỉnh.Mũi trích có độ cong cao nhất và cũng là DPR cao nhất so với góc xiên đối xứng trục, trong khi góc xiên đối xứng trục có độ lệch trung bình nhỏ hơn (Hình 12). Kim vát đối xứng trục 4 mm (AX1) có chiều dài vát dài nhất, đạt được độ lệch cao nhất có ý nghĩa thống kê trong không khí (\(p < 0,017\), Bảng 2), so với các kim đối xứng trục khác (AX2–3), nhưng không quan sát thấy sự khác biệt đáng kể khi đặt kim vào nước. Kim vát đối xứng trục 4 mm (AX1) có chiều dài vát dài nhất, đạt được độ lệch cao nhất có ý nghĩa thống kê trong không khí (\(p < 0,017\), Bảng 2), so với các kim đối xứng trục khác (AX2–3), nhưng không quan sát thấy sự khác biệt đáng kể khi đặt kim vào nước. Осесиметричный скос 4 мм (AX1), имеющий наибольшую длину скоса, достиг статистически значимого наибольшего отклонения воздухе (\(p <0,017\), таблица 2) đã giúp bạn tìm thấy thiết bị của mình (AX2–3). Góc xiên đối xứng trục 4 mm (AX1), có chiều dài góc xiên dài nhất, đạt được độ lệch lớn hơn đáng kể về mặt thống kê trong không khí (\(p < 0,017\), Bảng 2) so với các kim đối xứng trục khác (AX2–3).nhưng không thấy sự khác biệt đáng kể khi đặt kim vào nước.与其他轴对称针(AX2-3)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。 So với các kim đối xứng trục khác (AX2-3), nó có góc xiên dài nhất là 4 mm đối xứng trục (AX1) trong không khí và nó đã đạt được độ lệch tối đa đáng kể về mặt thống kê (\(p < 0,017\), Bảng 2) , nhưng khi nhúng kim vào nước thì không thấy có sự khác biệt đáng kể nào. Осесиметричный скос 4 мм (AX1) с наибольшей длиной скоса обеспечивает статистически значимое максимальное онение воздухе по сравнению с другими осесиметричными иглами (AX2-3) (\(p < 0,017\), таблица 2), không существеной không có gì cả. Độ dốc đối xứng trục có chiều dài độ dốc dài nhất là 4 mm (AX1) cung cấp độ lệch tối đa có ý nghĩa thống kê trong không khí so với các độ dốc đối xứng trục khác (AX2-3) (\(p < 0,017\), Bảng 2), nhưng không có sự khác biệt đáng kể.được quan sát thấy khi nhúng kim vào nước.Do đó, chiều dài góc xiên dài hơn không có lợi thế rõ ràng về độ lệch đỉnh đỉnh.Khi tính đến điều này, hóa ra hình dạng mái dốc được nghiên cứu trong nghiên cứu này có ảnh hưởng lớn hơn đến độ lệch biên độ so với chiều dài mái dốc.Điều này có thể liên quan đến độ cứng uốn, ví dụ, tùy thuộc vào vật liệu bị uốn và độ dày tổng thể của kim thi công.
Trong các nghiên cứu thực nghiệm, cường độ của sóng uốn phản xạ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện biên của đầu.Khi đưa đầu kim vào nước và gelatin, \(\text {PTE__{2}\) tính trung bình \(\approx\) 95% và \(\text {PTE__{2}\) tính trung bình các giá trị ​​lần lượt là 73% và 77% (\text {PTE__{1}\) và \(\text {PTE__{3}\) (Hình 11).Điều này chỉ ra rằng sự truyền năng lượng âm thanh tối đa đến môi trường đúc (ví dụ: nước hoặc gelatin) xảy ra ở \(f_2\).Hành vi tương tự đã được quan sát thấy trong một nghiên cứu trước đây sử dụng cấu trúc thiết bị đơn giản hơn ở tần số 41-43 kHz, trong đó các tác giả đã chứng minh hệ số phản xạ điện áp liên quan đến mô đun cơ học của môi trường xen kẽ.Độ sâu thâm nhập32 và các đặc tính cơ học của mô tạo ra tải trọng cơ học lên kim và do đó được cho là sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cộng hưởng của UZeFNAB.Do đó, các thuật toán theo dõi cộng hưởng như 17, 18, 33 có thể được sử dụng để tối ưu hóa sức mạnh của âm thanh truyền qua bút cảm ứng.
Mô hình bước sóng uốn cong (Hình 7) cho thấy tính đối xứng theo trục có độ cứng cấu trúc cao hơn (tức là độ cứng uốn cao hơn) ở đầu so với hình mũi mác và góc xiên không đối xứng.Xuất phát từ (1) và sử dụng mối quan hệ vận tốc-tần số đã biết, chúng tôi ước tính độ cứng uốn của mũi mác, các đầu không đối xứng và đối xứng trục lần lượt là các độ dốc \(\xấp xỉ) 200, 20 và 1500 MPa.Điều này tương ứng với (\lambda _y\) 5,3, 1,7 và 14,2 mm ở 29,75 kHz, tương ứng (Hình 7a tựa c).Xem xét tính an toàn lâm sàng của quy trình USeFNAB, cần phải đánh giá ảnh hưởng của hình học đến độ cứng của thiết kế góc xiên34.
Nghiên cứu các thông số của góc xiên và chiều dài của ống (Hình 9) cho thấy phạm vi TL tối ưu cho góc xiên không đối xứng (1,8 mm) cao hơn so với góc xiên đối xứng trục (1,3 mm).Ngoài ra, cao nguyên di động dao động từ 4 đến 4,5 mm và từ 6 đến 7 mm đối với độ nghiêng không đối xứng và đối xứng trục tương ứng (Hình 9a, b).Sự liên quan thực tế của phát hiện này được thể hiện trong dung sai sản xuất, ví dụ, phạm vi TL tối ưu thấp hơn có thể ngụ ý nhu cầu về độ chính xác chiều dài cao hơn.Đồng thời, nền tảng năng suất cung cấp dung sai lớn hơn cho việc lựa chọn độ dài dốc ở một tần số nhất định mà không ảnh hưởng đáng kể đến năng suất.
Nghiên cứu bao gồm những hạn chế sau đây.Đo trực tiếp độ lệch của kim bằng cách sử dụng tính năng phát hiện cạnh và hình ảnh tốc độ cao (Hình 12) có nghĩa là chúng ta bị giới hạn ở môi trường trong suốt về mặt quang học như không khí và nước.Chúng tôi cũng muốn chỉ ra rằng chúng tôi không sử dụng các thí nghiệm để kiểm tra khả năng di chuyển mô phỏng và ngược lại mà sử dụng các nghiên cứu FEM để xác định độ dài tối ưu của kim được sản xuất.Từ quan điểm hạn chế thực tế, chiều dài của kim từ đầu đến ống dài hơn 0,4 cm so với các kim khác (AX1-3), xem hình.3b.Điều này có thể đã ảnh hưởng đến phản ứng phương thức của cấu trúc hình kim.Ngoài ra, hình dạng và thể tích của vật hàn chì dẫn sóng (xem Hình 3) có thể ảnh hưởng đến trở kháng cơ học của thiết kế chân cắm, dẫn đến sai số về trở kháng cơ học và hành vi uốn cong.
Cuối cùng, chúng tôi đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng hình học góc xiên ảnh hưởng đến mức độ lệch trong USeFNAB.Trong các tình huống mà biên độ lệch cao hơn có thể có tác động tích cực đến tác động của kim lên mô, chẳng hạn như hiệu quả cắt sau khi đâm thủng, thì có thể khuyên dùng một mũi trích truyền thống cho USeFNAB, vì nó cung cấp biên độ lệch lớn nhất trong khi vẫn duy trì đủ độ cứng ở phần cuối của thiết kế.Ngoài ra, một nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng độ lệch đầu mũi lớn hơn có thể tăng cường các hiệu ứng sinh học như tạo bọt, có thể giúp phát triển các ứng dụng cho các can thiệp phẫu thuật xâm lấn tối thiểu.Cho rằng việc tăng tổng công suất âm thanh đã được chứng minh là làm tăng năng suất sinh thiết từ USeFNAB13, nên cần có các nghiên cứu định lượng sâu hơn về năng suất và chất lượng mẫu để đánh giá lợi ích lâm sàng chi tiết của hình dạng kim được nghiên cứu.
Frable, WJ Fine sinh thiết chọc hút bằng kim: một đánh giá.Hừm.Đau ốm.14:9-28.https://doi.org/10.1016/s0046-8177(83)80042-2 (1983).