Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Suwaki pokazujące trzy artykuły na slajd.Użyj przycisków Wstecz i Dalej, aby poruszać się po slajdach, lub przycisków kontrolera slajdów na końcu, aby poruszać się po poszczególnych slajdach.
Niedawno wykazano, że zastosowanie ultradźwięków może poprawić uzysk tkanki w biopsji aspiracyjnej cienkoigłowej wzmocnionej ultradźwiękami (USeFNAB) w porównaniu z konwencjonalną biopsją aspiracyjną cienkoigłową (FNAB).Nie zbadano jeszcze związku pomiędzy geometrią skosu a działaniem końcówki igły.W tym badaniu zbadaliśmy właściwości rezonansu igły i amplitudy ugięcia dla różnych geometrii skosu igły o różnej długości skosu.Przy zastosowaniu konwencjonalnego lancetu o średnicy nacięcia 3,9 mm współczynnik mocy ugięcia końcówki (DPR) wyniósł odpowiednio 220 i 105 µm/W w powietrzu i wodzie.To więcej niż w przypadku osiowosymetrycznej, skośnej końcówki o średnicy 4 mm, która osiągnęła DPR odpowiednio 180 i 80 µm/W w powietrzu i wodzie.Badanie to podkreśla znaczenie zależności pomiędzy sztywnością zginania geometrii ukosu w kontekście różnych środków wspomagających wprowadzanie, a tym samym może zapewnić wgląd w metody kontrolowania działania tnącego po nakłuciu poprzez zmianę geometrii skosu igły, co jest ważne dla USeFNAB.Zastosowanie ma znaczenie.
Biopsja aspiracyjna cienkoigłowa (BAC) to technika, w której za pomocą igły pobiera się próbkę tkanki w przypadku podejrzenia nieprawidłowości1,2,3.Wykazano, że końcówki typu Franseen zapewniają wyższą skuteczność diagnostyczną niż tradycyjne końcówki Lancet4 i Menghini5.Zaproponowano również skosy osiowo-symetryczne (tj. obwodowe), aby zwiększyć prawdopodobieństwo uzyskania odpowiedniej próbki do badań histopatologicznych6.
Podczas biopsji igła przechodzi przez warstwy skóry i tkanki, aby ujawnić podejrzaną patologię.Ostatnie badania wykazały, że aktywacja ultradźwiękowa może zmniejszyć siłę nakłucia niezbędną do uzyskania dostępu do tkanek miękkich7,8,9,10.Wykazano, że geometria skosu igły wpływa na siły interakcji igły, np. wykazano, że dłuższe skosy powodują mniejsze siły penetracji tkanki 11 .Sugeruje się, że po wniknięciu igły w powierzchnię tkanki, czyli po nakłuciu, siła tnąca igły może stanowić 75% całkowitej siły oddziaływania igły z tkanką12.Wykazano, że ultrasonografia (USG) poprawia jakość diagnostycznej biopsji tkanek miękkich w fazie po nakłuciu13.Opracowano inne metody poprawy jakości biopsji kości w przypadku pobierania próbek tkanek twardych14,15, ale nie zgłoszono żadnych wyników poprawiających jakość biopsji.Kilka badań wykazało również, że przemieszczenie mechaniczne wzrasta wraz ze wzrostem napięcia napędu ultradźwiękowego16,17,18.Chociaż istnieje wiele badań osiowych (podłużnych) sił statycznych w interakcjach igła-tkanka19,20, badania nad dynamiką czasową i geometrią skosu igły w FNAB wzmocnionym ultradźwiękami (USeFNAB) są ograniczone.
Celem tego badania było zbadanie wpływu różnych geometrii skosu na działanie końcówki igły spowodowane zgięciem igły przy częstotliwościach ultradźwiękowych.W szczególności zbadaliśmy wpływ medium wtryskiwanego na ugięcie końcówki igły po nakłuciu w przypadku konwencjonalnych skosów igieł (np. lancetów), osiowosymetrycznych i asymetrycznych geometrii pojedynczego skosu (rys. ułatwiający rozwój igieł USeFNAB do różnych celów, takich jak selektywne odsysanie dostęp lub jądra tkanek miękkich.
W badaniu uwzględniono różne geometrie skosów.a) Lancety zgodne z normą ISO 7864:201636, gdzie \(\alpha\) to główny kąt ukosowania, \(\theta\) to wtórny kąt obrotu ukosu, a \(\phi\) to wtórny kąt obrotu ukosu w stopnie, w stopniach (\(^\circ\)).(b) liniowe, asymetryczne, jednostopniowe fazowania (zwane „standardem” w normie DIN 13097:201937) oraz (c) liniowe, osiowo-symetryczne (obwodowe) fazowania jednostopniowe.
Nasze podejście polega na pierwszym modelowaniu zmiany długości fali zginania wzdłuż nachylenia dla konwencjonalnej geometrii lancetu, osiowosymetrycznej i asymetrycznej jednostopniowej geometrii nachylenia.Następnie obliczyliśmy badanie parametryczne, aby zbadać wpływ kąta skosu i długości rury na mobilność mechanizmu transportowego.Ma to na celu określenie optymalnej długości do wykonania prototypowej igły.Na podstawie symulacji wykonano prototypy igieł i scharakteryzowano eksperymentalnie ich zachowanie rezonansowe w powietrzu, wodzie i 10% (w/v) żelatynie balistycznej, mierząc współczynnik odbicia napięcia i obliczając wydajność przenoszenia mocy, z której wyliczono częstotliwość roboczą określony..Wreszcie, szybkie obrazowanie służy do bezpośredniego pomiaru odchylenia fali zginającej na końcu igły w powietrzu i wodzie oraz do oszacowania mocy elektrycznej przenoszonej przez każde przechylenie oraz geometrii współczynnika mocy ugięcia (DPR) wtryskiwanej igły średni.
Jak pokazano na rysunku 2a, należy zastosować rurę nr 21 (0,80 mm średnica zewnętrzna, 0,49 mm ID, grubość ścianki rury 0,155 mm, standardowa ściana zgodnie z normą ISO 9626:201621) wykonaną ze stali nierdzewnej 316 (moduł Younga 205).\(\text {GN/m}^{2}\), gęstość 8070 kg/m\(^{3}\), współczynnik Poissona 0,275).
Wyznaczanie długości fali zginania i strojenie modelu elementów skończonych (MES) igły oraz warunków brzegowych.(a) Określenie długości skosu (BL) i długości rury (TL).(b) Trójwymiarowy (3D) model elementów skończonych (FEM) wykorzystujący harmoniczną siłę punktową \(\tilde{F}_y\vec{j}\) do wzbudzenia igły na bliższym końcu, odchylenia punktu i zmierzenia prędkości na końcówkę (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) do obliczenia mechanicznej mobilności transportowej.\(\lambda _y\) definiuje się jako długość fali zginania związaną z siłą pionową \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Wyznacz środek ciężkości, pole przekroju poprzecznego A oraz momenty bezwładności \(I_{xx}\) i \(I_{yy}\) odpowiednio wokół osi x i y.
Jak pokazano na ryc.2b,c, dla nieskończonej (nieskończonej) wiązki o polu przekroju poprzecznego A i przy dużej długości fali w porównaniu z rozmiarem przekroju wiązki, prędkość fazy zginania (lub zginania) \(c_{EI}\ ) definiuje się jako 22:
gdzie E to moduł Younga (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) to częstotliwość kątowa wzbudzenia (rad/s), gdzie \( f_0 \ ) to częstotliwość liniowa (1/s lub Hz), I to moment bezwładności obszaru wokół interesującej osi \((\text {m}^{4})\) i \(m'=\ rho _0 A \) to masa na jednostkę długości (kg/m), gdzie \(\rho _0\) to gęstość \((\text {kg/m}^{3})\) i A to krzyż -powierzchnia przekroju belki (płaszczyzna xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Ponieważ w naszym przypadku przyłożona siła jest równoległa do pionowej osi y, tj. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), interesuje nas tylko moment bezwładności obszaru wokół poziomej osi x- osi, czyli \(I_{xx} \), Dlatego:
W modelu elementów skończonych (FEM) zakłada się przemieszczenie czystej harmonicznej (m), więc przyspieszenie (\(\text {m/s}^{2}\)) wyraża się jako \(\partial ^2 \vec { u}/ \ częściowe t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), np. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) jest trójwymiarowym wektorem przemieszczenia zdefiniowanym we współrzędnych przestrzennych.Zastąpienie tej ostatniej skończenie odkształcalną formą Lagrangianu prawa równowagi pędu23, zgodnie z jej implementacją w pakiecie oprogramowania COMSOL Multiphysics (wersje 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), daje:
Gdzie \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) jest operatorem rozbieżności tensora, a \({\underline{\sigma}}\) jest drugim tensorem naprężenia Pioli-Kirchhoffa (drugiego rzędu, \(\ tekst { N /m}^{2}\)), i \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) jest wektorem siły ciała (\(\text {N/m}^{3}\)) każdej odkształcalnej objętości, a \(e^{j\phi }\) jest fazą siła ciała, ma kąt fazowy \(\ phi\) (rad).W naszym przypadku siła objętościowa ciała wynosi zero, a nasz model zakłada liniowość geometryczną i małe odkształcenia czysto sprężyste, czyli \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), gdzie \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) i \({\underline{ \varepsilon}}\) – odpowiednio odkształcenie sprężyste i odkształcenie całkowite (bezwymiarowe drugiego rzędu).Konstytutywny izotropowy tensor sprężystości Hooke'a \(\podkreślenie {\podkreślenie {C}}\) otrzymuje się za pomocą modułu Younga E(\(\text{N/m}^{2}\)) i współczynnika Poissona v jest zdefiniowany tak, że \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (czwarty rząd).Zatem obliczenie naprężenia wygląda następująco: \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Obliczenia przeprowadzono dla 10-węzłowych elementów czworościennych o rozmiarze elementu \(\le\) 8 µm.Igłę modeluje się w próżni, a wartość przenoszenia ruchliwości mechanicznej (ms-1 H-1) definiuje się jako \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tylda{F}_y\vec {j}|\)24, gdzie \(\tilde{v}_y\vec {j}\) jest wyjściową zespoloną prędkością rękojeści, a \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) to złożona siła napędowa zlokalizowana na bliższym końcu rurki, jak pokazano na ryc. 2b.Transmisyjna mobilność mechaniczna wyrażana jest w decybelach (dB) przy użyciu wartości maksymalnej jako odniesienia, tj. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Wszystkie badania MES przeprowadzono przy częstotliwości 29,75 kHz.
Konstrukcja igły (ryc. 3) składa się z konwencjonalnej igły podskórnej o rozmiarze 21 G (numer katalogowy: 4665643, Sterican\(^\circledR\), o średnicy zewnętrznej 0,8 mm i długości 120 mm, wykonanej z AISI chromowo-niklowa stal nierdzewna 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Niemcy) umieściła plastikową tuleję Luer Lock wykonaną z polipropylenu w części proksymalnej z odpowiednią modyfikacją końcówki.Rurka igłowa jest przylutowana do falowodu, jak pokazano na rys. 3b.Falowód został wydrukowany na drukarce 3D ze stali nierdzewnej (EOS Stal nierdzewna 316L na drukarce 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlandia), a następnie przymocowany do czujnika Langevina za pomocą śrub M4.Przetwornik Langevina składa się z 8 piezoelektrycznych elementów pierścieniowych z dwoma obciążnikami na każdym końcu.
Cztery typy końcówek (na zdjęciu), dostępny w handlu lancet (L) i trzy wyprodukowane osiowo-symetryczne jednostopniowe skosy (AX1–3) charakteryzowały się długością skosu (BL) wynoszącą odpowiednio 4, 1,2 i 0,5 mm.(a) Zbliżenie gotowej końcówki igły.(b) Widok z góry czterech pinów przylutowanych do falowodu wydrukowanego w 3D, a następnie podłączonych do czujnika Langevina za pomocą śrub M4.
Wyprodukowano trzy osiowo-symetryczne końcówki ukośne (rys. 3) (TAs Machine Tools Oy) o długościach skosów (BL, określonych na rys. 2a) wynoszących 4,0, 1,2 i 0,5 mm, co odpowiada \(\w przybliżeniu\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) i 18\(^\circ\).Masa falowodu i trzpienia wynosi 3,4 ± 0,017 g (średnia ± SD, n = 4) odpowiednio dla skosu L i AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Niemcy).Całkowita długość od czubka igły do ​​końca plastikowej tulei wynosi 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm, odpowiednio dla skosu L i AX1-3 na rycinie 3b.
Dla wszystkich konfiguracji igieł długość od czubka igły do ​​czubka falowodu (tj. obszaru lutowania) wynosi 4,3 cm, a rurka igły jest zorientowana tak, aby skos był skierowany do góry (tj. równolegle do osi Y ).), jak na (ryc. 2).
Do wygenerowania liniowego przemiatania sinusoidalnego od 25 do 35 kHz w ciągu 7 sekund wykorzystano niestandardowy skrypt w programie MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) uruchomiony na komputerze (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA), konwertowane na sygnał analogowy za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Waszyngton, USA).Sygnał analogowy \(V_0\) (0,5 Vp-p) został następnie wzmocniony za pomocą dedykowanego wzmacniacza częstotliwości radiowej (RF) (Mariachi Oy, Turku, Finlandia).Opadające napięcie wzmacniające \({V_I}\) jest wyprowadzane ze wzmacniacza RF o impedancji wyjściowej 50 \(\Omega\) do transformatora wbudowanego w strukturę igły o impedancji wejściowej 50 \(\Omega)\) Przetworniki Langevina (przednie i tylne wielowarstwowe przetworniki piezoelektryczne, obciążone masą) służą do generowania fal mechanicznych.Niestandardowy wzmacniacz RF jest wyposażony w dwukanałowy miernik współczynnika mocy fali stojącej (SWR), który może wykryć padające \({V_I}\) i odbite wzmocnione napięcie \(V_R\) poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy (AD) o częstotliwości 300 kHz ) konwerter (Analog Discovery 2).Sygnał wzbudzenia jest modulowany amplitudowo na początku i na końcu, aby zapobiec przeciążeniu wejścia wzmacniacza stanami przejściowymi.
Używając niestandardowego skryptu zaimplementowanego w MATLABIE, funkcja odpowiedzi częstotliwościowej (AFC), tj. zakłada liniowy system stacjonarny.Zastosuj także filtr pasmowo-przepustowy od 20 do 40 kHz, aby usunąć z sygnału wszelkie niepożądane częstotliwości.Nawiązując do teorii linii przesyłowych, \(\tylda{H}(f)\) w tym przypadku jest równoważne współczynnikowi odbicia napięcia, tj. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Ponieważ impedancja wyjściowa wzmacniacza \(Z_0\) odpowiada impedancji wejściowej wbudowanego transformatora konwertera, a współczynnik odbicia mocy elektrycznej \({P_R}/{P_I}\) jest zredukowany do \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) równa się \ (|\rho _{V}|^2\).W przypadku, gdy wymagana jest wartość bezwzględna mocy elektrycznej, oblicz moc padającą \(P_I\) i moc odbitą\(P_R\) (W), przyjmując średnią kwadratową (skuteczną) wartość odpowiedniego napięcia, na przykład dla linii przesyłowej o wzbudzeniu sinusoidalnym \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, gdzie \(Z_0\) równa się 50 \(\Omega\).Moc elektryczną dostarczoną do obciążenia \(P_T\) (tj. wprowadzonego medium) można obliczyć jako \(|P_I – P_R |\) (W RMS), a sprawność przenoszenia mocy (PTE) można zdefiniować i wyrazić jako procent (%) daje zatem 27:
Odpowiedź częstotliwościowa jest następnie wykorzystywana do oszacowania częstotliwości modalnych \(f_{1-3}\) (kHz) konstrukcji trzpienia i odpowiadającej wydajności przenoszenia mocy, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) jest szacowane bezpośrednio z \(\text {PTE}_{1{-}3}\), z Tabeli 1 częstotliwości \(f_{1-3}\) opisane w .
Metoda pomiaru odpowiedzi częstotliwościowej (AFC) struktury iglastej.Dwukanałowy pomiar sinusoidalny25,38 służy do uzyskania funkcji odpowiedzi częstotliwościowej \(\tylda{H}(f)\) i jej odpowiedzi impulsowej H(t).\({\mathcal {F}}\) i \({\mathcal {F}}^{-1}\) oznaczają odpowiednio numeryczną obciętą transformatę Fouriera i operację odwrotnej transformacji.\(\tylda{G}(f)\) oznacza, że ​​dwa sygnały są mnożone w dziedzinie częstotliwości, np. \(\tylda{G}_{XrX}\) oznacza skanowanie odwrotne\(\tylda{X} r( f )\) i sygnał spadku napięcia \(\tylda{X}(f)\).
Jak pokazano na ryc.5, szybki aparat (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) wyposażony w obiektyw makro (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tokio, Japonia) wykorzystano do rejestracji ugięcia końcówki igły poddanej wzbudzeniu zginającemu (pojedyncza częstotliwość, ciągła sinusoida) przy częstotliwości 27,5–30 kHz.Aby utworzyć mapę cieni, za skosem igły umieszczono chłodzony element białej diody LED o wysokiej intensywności (numer części: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Niemcy).
Widok z przodu układu doświadczalnego.Głębokość mierzona jest od powierzchni nośnika.Konstrukcja igły jest zaciśnięta i zamontowana na napędzanym silnikiem stole transferowym.Użyj szybkiej kamery z obiektywem o dużym powiększeniu (5\(\razy\)), aby zmierzyć ugięcie skośnej końcówki.Wszystkie wymiary podano w milimetrach.
Dla każdego rodzaju skosu igły zarejestrowaliśmy 300 klatek szybkiej kamery o wielkości 128 \(\x\) 128 pikseli, każda o rozdzielczości przestrzennej 1/180 mm (\(\około) 5 µm), z rozdzielczością czasową 310 000 klatek na sekundę.Jak pokazano na rysunku 6, każda klatka (1) jest przycinana (2) tak, aby jej koniec znalazł się w ostatniej linii (na dole) klatki, a następnie obliczany jest histogram obrazu (3), więc progi Canny’ego 1 i 2 można określić.Następnie zastosuj wykrywanie krawędzi Canny28(4) za pomocą operatora Sobela 3 \(\times\) 3 i oblicz położenie piksela niekawitacyjnej przeciwprostokątnej (oznaczonej \(\mathbf {\times }\)) dla wszystkich 300-krotnych kroków .Aby wyznaczyć rozpiętość ugięcia na końcu, oblicza się pochodną (z wykorzystaniem algorytmu różnicy centralnej) (6) i identyfikuje układ zawierający lokalne ekstrema (tj. szczyt) ugięcia (7).Po wizualnej kontroli niekawitującej krawędzi wybrano parę klatek (lub dwie klatki oddzielone pół okresu czasu) (7) i zmierzono ugięcie końcówki (oznaczone jako \(\mathbf {\times} \ ) Powyższe zastosowano w Pythonie (v3.8, Python Software Foundation, python.org) przy użyciu algorytmu wykrywania krawędzi OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteka wizji komputerowej open source, opencv.org moc elektryczna \ (P_T \) (W, rms) .
Odchylenie końcówki mierzono za pomocą serii klatek pobranych z szybkiej kamery przy 310 kHz przy użyciu 7-stopniowego algorytmu (1–7), obejmującego kadrowanie (1–2), wykrywanie krawędzi Canny’ego (3–4), położenie krawędzi piksela obliczenia (5) i ich pochodne po czasie (6), a na koniec ugięcie wierzchołka między szczytami zmierzono na wizualnie sprawdzonych parach ramek (7).
Pomiary wykonano w powietrzu (22,4-22,9°C), wodzie dejonizowanej (20,8-21,5°C) i żelatynie balistycznej 10% (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Żelatyna z kości wołowych i wieprzowych do analizy balistycznej typu I, Honeywell International, Karolina Północna, USA).Temperaturę mierzono za pomocą wzmacniacza termopary typu K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) i termopary typu K (Fluke 80PK-1 Bead Probe nr 3648 typ-K, Fluke Corporation, Waszyngton, USA).Z ośrodka Głębokość mierzono od powierzchni (ustawionej jako początek osi z) przy użyciu pionowego, napędzanego silnikiem stolika osi z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Wilno, Litwa) z rozdzielczością 5 µm.na krok.
Ponieważ wielkość próby była mała (n = 5) i nie można było założyć normalności, zastosowano dwupróbkowy dwustronny test sumy rang Wilcoxona (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). aby porównać wielkość odchylenia końcówki igły dla różnych skosów.Na każde nachylenie przeprowadzono 3 porównania, zatem zastosowano poprawkę Bonferroniego z skorygowanym poziomem istotności 0,017 i poziomem błędu 5%.
Przejdźmy teraz do rys.7.Przy częstotliwości 29,75 kHz półfala zginająca (\(\lambda_y/2\)) igły o rozmiarze 21 wynosi \(\w przybliżeniu) 8 mm.W miarę zbliżania się do końcówki długość fali zginania maleje wzdłuż kąta skośnego.Na końcu \(\lambda _y/2\) \(\w przybliżeniu\) znajdują się stopnie 3, 1 i 7 mm dla zwykłego lancetowatego (a), asymetrycznego (b) i osiowosymetrycznego (c) nachylenia pojedynczej igły odpowiednio.Oznacza to zatem, że zasięg lancetu wynosi \(\w przybliżeniu) 5 mm (ze względu na to, że dwie płaszczyzny lancetu tworzą jeden punkt29,30), skos asymetryczny wynosi 7 mm, skos asymetryczny wynosi 1 mm.Nachylenia osiowosymetryczne (środek ciężkości pozostaje stały, więc wzdłuż nachylenia faktycznie zmienia się tylko grubość ścianki rury).
Badania MES i zastosowanie równań przy częstotliwości 29,75 kHz.(1) Przy obliczaniu zmiany półfali zginania (\(\lambda_y/2\)) dla geometrii skosu lancetowego (a), asymetrycznego (b) i osiowosymetrycznego (c) (jak na ryc. 1a,b,c ) .Średnia wartość skosu lancetowego, asymetrycznego i osiowosymetrycznego wyniosła odpowiednio 5,65, 5,17 i 7,52 mm.Należy pamiętać, że grubość końcówki dla skosów asymetrycznych i osiowosymetrycznych jest ograniczona do \(\około) 50 µm.
Ruchliwość szczytowa \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) to optymalna kombinacja długości rury (TL) i długości ukosu (BL) (ryc. 8, 9).W przypadku konwencjonalnego lancetu, ponieważ jego rozmiar jest stały, optymalna TL wynosi \(\w przybliżeniu) 29,1 mm (ryc. 8).Dla skosów asymetrycznych i osiowosymetrycznych (odpowiednio rys. 9a, b) w badaniach MES uwzględniono BL od 1 do 7 mm, zatem optymalne TL wynosiły od 26,9 do 28,7 mm (zakres 1,8 mm) i od 27,9 do 29,2 mm (zakres odpowiednio 1,3 mm).Dla nachylenia asymetrycznego (ryc. 9a) optymalny TL wzrastał liniowo, osiągał plateau przy BL 4 mm, a następnie gwałtownie spadał z BL 5 do 7 mm.Dla skosu osiowosymetrycznego (ryc. 9b) optymalny TL wzrastał liniowo wraz ze wzrostem BL i ostatecznie ustabilizował się na poziomie BL od 6 do 7 mm.Rozszerzone badanie osiowosymetrycznego nachylenia (ryc. 9c) ujawniło inny zestaw optymalnych TL przy \ (\ w przybliżeniu) 35, 1–37, 1 mm.Dla wszystkich BL odległość pomiędzy dwoma najlepszymi TL wynosi \(\w przybliżeniu\) 8 mm (co odpowiada \(\lambda_y/2\)).
Ruchliwość transmisji lancetu przy 29,75 kHz.Igłę wzbudzano elastycznie przy częstotliwości 29,75 kHz, a na jej końcu mierzono drgania i wyrażano je jako wielkość przenoszonej ruchliwości mechanicznej (dB w stosunku do wartości maksymalnej) dla TL 26,5–29,5 mm (w przyrostach co 0,1 mm). .
Badania parametryczne MES przy częstotliwości 29,75 kHz pokazują, że zmiana długości rurki ma mniejszy wpływ na ruchliwość osiowosymetrycznej końcówki niż jej asymetrycznego odpowiednika.Badania długości skosu (BL) i długości rury (TL) asymetrycznej (a) i osiowosymetrycznej (b, c) geometrii skosu w badaniu domeny częstotliwości z wykorzystaniem MES (warunki brzegowe przedstawiono na rys. 2).(a, b) TL wahał się od 26,5 do 29,5 mm (skok 0,1 mm), a BL 1–7 mm (skok 0,5 mm).(c) Rozszerzone badania pochylenia osiowo-symetrycznego, w tym TL 25–40 mm (w przyrostach co 0,05 mm) i BL 0,1–7 mm (w przyrostach co 0,1 mm), pokazujące, że \(\lambda_y/2\ ) musi spełniać wymagania końcówki.ruchome warunki brzegowe.
Konfiguracja igły ma trzy częstotliwości własne \(f_{1-3}\) podzielone na obszary trybu niskiego, średniego i wysokiego, jak pokazano w Tabeli 1. Rozmiar PTE rejestrowano, jak pokazano na rys. 1.10, a następnie przeanalizowane na ryc. 11. Poniżej znajdują się ustalenia dla każdego obszaru modalnego:
Typowe zarejestrowane amplitudy chwilowej wydajności przenoszenia mocy (PTE) uzyskane przy wzbudzeniu sinusoidalnym o częstotliwości przemiatanej dla lancetu (L) i osiowosymetrycznego skosu AX1-3 w powietrzu, wodzie i żelatynie na głębokości 20 mm.Pokazano widma jednostronne.Zmierzoną charakterystykę częstotliwościową (próbkowaną przy 300 kHz) poddano filtracji dolnoprzepustowej, a następnie zmniejszono 200-krotnie w celu analizy modalnej.Stosunek sygnału do szumu wynosi \(\le\) 45 dB.Fazy ​​PTE (fioletowe linie przerywane) są pokazane w stopniach (\(^{\circ}\)).
Analiza odpowiedzi modalnej (średnia ± odchylenie standardowe, n = 5) pokazana na ryc. 10, dla zboczy L i AX1-3, w powietrzu, wodzie i 10% żelatynie (głębokość 20 mm), z (u góry) trzema obszarami modalnymi ( niska, średnia i wysoka) oraz odpowiadające im częstotliwości modalne\(f_{1-3 }\) (kHz), (średnia) efektywność energetyczna \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Obliczone przy użyciu odpowiedników .(4) i (na dole) pełna szerokość w połowie maksymalnych wymiarów \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Należy zauważyć, że pomiar szerokości pasma został pominięty, gdy zarejestrowano niski PTE, tj. \(\text {FWHM}_{1}\) w przypadku nachylenia AX2.Stwierdzono, że tryb \(f_2\) jest najbardziej odpowiedni do porównywania ugięć zboczy, ponieważ wykazuje najwyższy poziom efektywności przenoszenia mocy (\(\text {PTE}_{2}\)), aż do 99%.
Pierwszy obszar modalny: \(f_1\) nie zależy zbytnio od rodzaju włożonego ośrodka, ale zależy od geometrii zbocza.\(f_1\) maleje wraz ze zmniejszaniem się długości skosu (odpowiednio 27,1, 26,2 i 25,9 kHz w powietrzu dla AX1-3).Średnie regionalne \(\text {PTE}_{1}\) i \(\text {FWHM}_{1}\) wynoszą odpowiednio \(\około\) 81% i 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) ma najwyższą zawartość żelatyny w Lancecie (L, 473 Hz).Należy zauważyć, że \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 w żelatynie nie mogło zostać ocenione ze względu na niską zarejestrowaną amplitudę FRF.
Drugi obszar modalny: \(f_2\) zależy od rodzaju włożonego nośnika i skosu.Średnie wartości \(f_2\) wynoszą odpowiednio 29,1, 27,9 i 28,5 kHz w powietrzu, wodzie i żelatynie.Ten region modalny również wykazał wysoki PTE wynoszący 99%, najwyższy ze wszystkich mierzonych grup, ze średnią regionalną wynoszącą 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) ma średnią regionalną wynoszącą \(\w przybliżeniu\) 910 Hz.
Region trzeciego trybu: częstotliwość \(f_3\) zależy od typu nośnika i skosu.Średnie wartości \(f_3\) wynoszą odpowiednio 32,0, 31,0 i 31,3 kHz w powietrzu, wodzie i żelatynie.Średnia regionalna \(\text {PTE}_{3}\) wyniosła \(\w przybliżeniu\) 74% i była najniższa ze wszystkich regionów.Średnia regionalna \(\text {FWHM}_{3}\) wynosi \(\w przybliżeniu\) 1085 Hz, czyli jest wyższa niż w pierwszym i drugim regionie.
       Poniższe odnosi się do rys.12 i tabela 2. Lancet (L) najbardziej uginał się (z dużym znaczeniem dla wszystkich końcówek, \(p<\) 0,017) zarówno w powietrzu, jak i w wodzie (ryc. 12a), osiągając najwyższy DPR (do 220 µm/ W w powietrzu). 12 i tabela 2. Lancet (L) najbardziej uginał się (z dużym znaczeniem dla wszystkich końcówek, \(p<\) 0,017) zarówno w powietrzu, jak i w wodzie (ryc. 12a), osiągając najwyższy DPR (do 220 µm/ W w powietrzu). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью д ля всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Poniższe odnosi się do rysunku 12 i tabeli 2. Lancet (L) ugiął się najbardziej (z dużym znaczeniem dla wszystkich końcówek, \(p<\) 0,017) zarówno w powietrzu, jak i w wodzie (ryc. 12a), osiągając najwyższy DPR.(do 220 μm/W w powietrzu).smt.Rysunek 12 i Tabela 2 poniżej.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多(对所有尖端具有高显着性，\(p<\) 0.017）（图12a），实现最高DPR (在空气中高达220 µm/W).柳叶刀(L) ma najwyższe ugięcie w powietrzu i wodzie (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) i osiąga najwyższy DPR (do 220 µm/W w powietrze). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) ugiął się najbardziej (wysokie znaczenie dla wszystkich końcówek, \(p<\) 0,017) w powietrzu i wodzie (ryc. 12a), osiągając najwyższy DPR (do 220 µm/W w powietrzu). W powietrzu AX1, który miał wyższy BL, odbił się bardziej niż AX2–3 (ze istotnością \(p<\) 0,017), podczas gdy AX3 (który miał najniższy BL) odbił się bardziej niż AX2 przy DPR 190 µm/W. W powietrzu AX1, który miał wyższy BL, odbił się bardziej niż AX2–3 (ze istotnością \(p<\) 0,017), podczas gdy AX3 (który miał najniższy BL) odbił się bardziej niż AX2 przy DPR 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 н изким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. W powietrzu AX1 z wyższym BL odbił się bardziej niż AX2–3 (z istotnością \(p<\) 0,017), podczas gdy AX3 (z najniższym BL) odbił się bardziej niż AX2 przy DPR 190 μm/W.在空气中，具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（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 。 W powietrzu ugięcie AX1 z wyższym BL jest większe niż AX2-3 (znacznie \(p<\) 0,017), a ugięcie AX3 (z najniższym BL) jest większe niż AX2, DPR wynosi 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низ ким BL) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. W powietrzu AX1 z wyższym BL odchyla się bardziej niż AX2-3 (istotne, \(p<\) 0,017), podczas gdy AX3 (z najniższym BL) odchyla się bardziej niż AX2 z DPR 190 µm/W.Przy wodzie 20 mm ugięcie i PTE AX1–3 nie różniły się istotnie (\(p>\) 0,017).Poziomy PTE w wodzie (90,2–98,4%) były na ogół wyższe niż w powietrzu (56–77,5%) (ryc. 12c), a podczas eksperymentu w wodzie zaobserwowano zjawisko kawitacji (ryc. 13, zob. także dodatkowe Informacja).
Wielkość ugięcia końcówki (średnia ± SD, n = 5) zmierzona dla skosu L i AX1-3 w powietrzu i wodzie (głębokość 20 mm) pokazuje wpływ zmiany geometrii skosu.Pomiary wykonano stosując ciągłe wzbudzenie sinusoidalne o pojedynczej częstotliwości.(a) Odchylenie między szczytami (\(u_y\vec {j}\)) na końcu, mierzone przy (b) ich odpowiednich częstotliwościach modalnych \(f_2\).(c) Sprawność przenoszenia mocy (PTE, RMS, %) równania.(4) i (d) Współczynnik mocy odchylenia (DPR, µm/W) obliczony jako odchylenie międzyszczytowe i przesłana moc elektryczna \(P_T\) (Wrms).
Typowy wykres cienia kamery o dużej szybkości, przedstawiający odchylenie między szczytami (zielone i czerwone linie przerywane) lancetu (L) i osiowosymetrycznej końcówki (AX1–3) w wodzie (głębokość 20 mm) w ciągu połowy cyklu.cykl, przy częstotliwości wzbudzenia \(f_2\) (częstotliwość próbkowania 310 kHz).Przechwycony obraz w skali szarości ma rozmiar 128×128 pikseli i rozmiar piksela wynoszący (\w przybliżeniu) 5 µm.Film można znaleźć w dodatkowych informacjach.
W ten sposób modelowaliśmy zmianę długości fali zginania (ryc. 7) i obliczyliśmy przenoszalną ruchliwość mechaniczną dla kombinacji długości rury i skosu (ryc. 8, 9) dla konwencjonalnych skosów lancetowych, asymetrycznych i osiowosymetrycznych o kształtach geometrycznych.Na tej podstawie oszacowaliśmy optymalną odległość 43 mm (lub \(\w przybliżeniu) 2,75\(\lambda _y\) przy 29,75 kHz) od końcówki do spoiny, jak pokazano na ryc. 5, i wykonaliśmy trójosiowo-symetryczną skosy o różnej długości skosu.Następnie scharakteryzowaliśmy ich zachowanie częstotliwościowe w powietrzu, wodzie i 10% (w/v) żelatynie balistycznej w porównaniu z konwencjonalnymi lancetami (ryc. 10, 11) i określiliśmy tryb najbardziej odpowiedni do porównania ugięcia skosu.Na koniec zmierzyliśmy ugięcie końcówki przez falę zginającą w powietrzu i wodzie na głębokości 20 mm i określiliśmy ilościowo efektywność przenoszenia mocy (PTE, %) i współczynnik mocy ugięcia (DPR, µm/W) ośrodka wprowadzającego dla każdego skosu.typ kątowy (ryc. 12).
Wykazano, że geometria skosu igły wpływa na wielkość ugięcia końcówki igły.Lancet uzyskał największe ugięcie i najwyższy DPR w porównaniu do skosu osiowo-symetrycznego o mniejszym średnim ugięciu (ryc. 12).Skos osiowosymetryczny (AX1) o najdłuższym skosie o średnicy 4 mm uzyskał statystycznie istotne maksymalne ugięcie w powietrzu w porównaniu z innymi igłami osiowosymetrycznymi (AX2–3) (\(p < 0,017\), tabela 2), ale nie było istotnej różnicy .obserwuje się po umieszczeniu igły w wodzie.Zatem nie ma oczywistej korzyści posiadania większej długości skosu pod względem maksymalnego ugięcia na końcówce.Mając to na uwadze, okazuje się, że geometria skosu badana w tym badaniu ma większy wpływ na wielkość ugięcia niż długość skosu.Może to wynikać ze sztywności zginania, na przykład zależnej od całkowitej grubości giętego materiału i konstrukcji igły.
W badaniach eksperymentalnych na wielkość odbitej fali zginania wpływają warunki brzegowe końcówki.Po włożeniu końcówki igły do ​​wody i żelatyny \(\text {PTE}_{2}\) wynosi \(\w przybliżeniu\) 95%, a \(\text {PTE}_{ 2}\) wynosi \ (\text {PTE}_{ 2}\) wartości wynoszą 73% i 77% dla (\text {PTE}_{1}\) i \(\text {PTE}_{3}\), odpowiednio (ryc. 11).Oznacza to, że maksymalne przeniesienie energii akustycznej do ośrodka odlewniczego, czyli wody lub żelatyny, następuje przy \(f_2\).Podobne zachowanie zaobserwowano w poprzednim badaniu31 z wykorzystaniem prostszej konfiguracji urządzenia w zakresie częstotliwości 41-43 kHz, w którym autorzy wykazali zależność współczynnika odbicia napięcia od modułu mechanicznego ośrodka osadzającego.Głębokość penetracji32 i właściwości mechaniczne tkanki powodują obciążenie mechaniczne igły i dlatego oczekuje się, że będą miały wpływ na zachowanie rezonansowe UZEFNAB.Zatem algorytmy śledzenia rezonansu (np. 17, 18, 33) można zastosować do optymalizacji mocy akustycznej dostarczanej przez igłę.
Symulacja przy długości fali zginania (ryc. 7) pokazuje, że osiowosymetryczna końcówka jest strukturalnie sztywniejsza (tj. sztywniejsza przy zginaniu) niż lancet i asymetryczny skos.Na podstawie (1) i korzystając ze znanej zależności prędkość-częstotliwość szacujemy sztywność zginania na końcu igły na 200, 20 i 1500 MPa odpowiednio dla płaszczyzny lancetowej, asymetrycznej i osiowo nachylonej.Odpowiada to \(\lambda_y\) \(\w przybliżeniu\) odpowiednio 5,3, 1,7 i 14,2 mm przy 29,75 kHz (ryc. 7a – c).Biorąc pod uwagę bezpieczeństwo kliniczne podczas USeFNAB, należy ocenić wpływ geometrii na sztywność strukturalną pochyłej płaszczyzny34.
Badanie parametrów skosu w zależności od długości rury (rys. 9) wykazało, że optymalny zakres transmisji był większy dla skosu asymetrycznego (1,8 mm) niż dla skosu osiowosymetrycznego (1,3 mm).Ponadto ruchliwość jest stabilna przy \(\w przybliżeniu) od 4 do 4,5 mm i od 6 do 7 mm, odpowiednio dla przechyleń asymetrycznych i osiowosymetrycznych (ryc. 9a, b).Praktyczne znaczenie tego odkrycia wyraża się w tolerancjach produkcyjnych, np. niższy zakres optymalnego TL może oznaczać, że wymagana jest większa dokładność długości.Jednocześnie plateau mobilności zapewnia większą tolerancję w wyborze długości zanurzenia przy danej częstotliwości bez znaczącego wpływu na mobilność.
Badanie zawiera następujące ograniczenia.Bezpośredni pomiar ugięcia igły za pomocą detekcji krawędzi i szybkiego obrazowania (ryc. 12) oznacza, że ​​jesteśmy ograniczeni do mediów optycznie przezroczystych, takich jak powietrze i woda.Chcielibyśmy również zaznaczyć, że nie korzystaliśmy z eksperymentów w celu przetestowania symulowanej mobilności przenoszenia i odwrotnie, ale wykorzystaliśmy badania FEM w celu określenia optymalnej długości do produkcji igły.Ze względu na ograniczenia praktyczne długość lancetu od czubka do tulei jest \(\w przybliżeniu) 0,4 cm dłuższa niż w przypadku innych igieł (AX1-3), patrz ryc.3b.Może to mieć wpływ na odpowiedź modalną konstrukcji igły.Ponadto kształt i objętość lutu na końcu kołka falowodu (patrz rysunek 3) może wpływać na impedancję mechaniczną konstrukcji kołka, powodując błędy w impedancji mechanicznej i zachowaniu przy zginaniu.
Na koniec wykazaliśmy, że eksperymentalna geometria skosu wpływa na wielkość ugięcia w USeFNAB.Jeżeli większe ugięcie miałoby mieć pozytywny wpływ na działanie igły na tkankę, np. skuteczność cięcia po przekłuciu, wówczas w USeFNAB można polecić konwencjonalny lancet, który zapewnia maksymalne ugięcie przy zachowaniu odpowiedniej sztywności konstrukcyjnej końcówki..Co więcej, niedawne badanie35 wykazało, że większe ugięcie końcówki może zwiększyć efekty biologiczne, takie jak kawitacja, co może ułatwić rozwój małoinwazyjnych zastosowań chirurgicznych.Biorąc pod uwagę, że wykazano, że zwiększenie całkowitej mocy akustycznej zwiększa liczbę biopsji w USeFNAB13, potrzebne są dalsze badania ilościowe dotyczące ilości i jakości próbek, aby ocenić szczegółowe korzyści kliniczne wynikające z badanej geometrii igły.