Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Klizači koji prikazuju tri članka po slajdu.Za pomicanje kroz slajdove koristite gumbe za povratak i sljedeći ili gumbe za upravljanje slajdovima na kraju za pomicanje kroz svaki slajd.
Nedavno je pokazano da upotreba ultrazvuka može poboljšati iskorištenje tkiva kod aspiracijske biopsije tankom iglom poboljšane ultrazvukom (USeFNAB) u usporedbi s konvencionalnom aspiracijskom biopsijom tankom iglom (FNAB).Odnos između geometrije kosine i djelovanja vrha igle još nije istražen.U ovoj studiji istraživali smo svojstva rezonancije igle i amplitude otklona za različite geometrije skošenja igle s različitim duljinama skošenja.Korištenjem konvencionalne lancete s rezom od 3,9 mm, faktor otklona vrha (DPR) bio je 220 odnosno 105 µm/W u zraku i vodi.To je više od osnosimetričnog kosog vrha od 4 mm, koji je postigao DPR od 180 odnosno 80 µm/W u zraku i vodi.Ova studija naglašava važnost odnosa između krutosti savijanja geometrije kosine u kontekstu različitih pomagala za umetanje i stoga može pružiti uvid u metode za kontrolu rezanja nakon probijanja promjenom geometrije kosine igle, što je važno za USeFNAB.Primjena je važna.
Aspiracijska biopsija tankom iglom (FNAB) je tehnika u kojoj se koristi igla za dobivanje uzorka tkiva kada se sumnja na abnormalnost 1,2,3.Pokazalo se da vrhovi tipa Franseen pružaju veću dijagnostičku učinkovitost od tradicionalnih vrhova Lancet4 i Menghini5.Osnosimetrični (tj. obodni) zakošeni dijelovi također su predloženi kako bi se povećala vjerojatnost odgovarajućeg uzorka za histopatologiju6.
Tijekom biopsije, igla prolazi kroz slojeve kože i tkiva kako bi se otkrila sumnjiva patologija.Nedavne studije su pokazale da ultrazvučna aktivacija može smanjiti silu probijanja potrebnu za pristup mekim tkivima7,8,9,10.Pokazalo se da geometrija kosine igle utječe na sile interakcije igle, npr. pokazalo se da dulje kosine imaju manje sile prodiranja u tkivo 11 .Pretpostavlja se da nakon što je igla prodrla u površinu tkiva, tj. nakon uboda, sila rezanja igle može biti 75% ukupne sile interakcije igle i tkiva12.Pokazalo se da ultrazvuk (UZ) poboljšava kvalitetu dijagnostičke biopsije mekog tkiva u fazi nakon punkcije13.Druge metode za poboljšanje kvalitete biopsije kostiju razvijene su za uzorkovanje tvrdog tkiva14,15 ali nisu zabilježeni rezultati koji bi poboljšali kvalitetu biopsije.Nekoliko je studija također otkrilo da se mehanički pomak povećava s povećanjem ultrazvučnog pogonskog napona16,17,18.Iako postoje mnoge studije o aksijalnim (uzdužnim) statičkim silama u interakcijama igle i tkiva19,20, studije o vremenskoj dinamici i geometriji kosine igle u ultrazvučno poboljšanom FNAB-u (USeFNAB) su ograničene.
Cilj ove studije bio je istražiti učinak različitih geometrija kosine na djelovanje vrha igle potaknuto savijanjem igle na ultrazvučnim frekvencijama.Konkretno, istražili smo učinak medija za ubrizgavanje na otklon vrha igle nakon uboda za konvencionalne kosine igle (npr. lancete), osnosimetrične i asimetrične geometrije s jednim kosom (sl. kako bismo olakšali razvoj USeFNAB igala za razne svrhe kao što je selektivna sukcija pristup ili mekotkivne jezgre.
U ovu studiju uključene su različite geometrije kosina.(a) Lancete u skladu s ISO 7864:201636 gdje je \(\alpha\) primarni kut skošenja, \(\theta\) sekundarni kut rotacije skošenja, a \(\phi\) je sekundarni kut rotacije skošenja u stupnjevi , u stupnjevima (\(^\circ\)).(b) linearna asimetrična jednostruka skošenja (nazvana "standard" u DIN 13097:201937) i (c) linearna osnosimetrična (obodna) jednostruka skošenja.
Naš je pristup prvo modelirati promjenu valne duljine savijanja duž nagiba za konvencionalne lancetaste, osnosimetrične i asimetrične jednostupanjske geometrije nagiba.Zatim smo izračunali parametarsku studiju kako bismo ispitali učinak kuta skošenja i duljine cijevi na pokretljivost transportnog mehanizma.Ovo se radi kako bi se odredila optimalna duljina za izradu prototipa igle.Na temelju simulacije izrađeni su prototipovi igala i eksperimentalno je karakterizirano njihovo rezonantno ponašanje u zraku, vodi i 10% (w/v) balističkoj želatini mjerenjem koeficijenta refleksije napona i izračunavanjem učinkovitosti prijenosa snage, iz čega je radna frekvencija izračunata. odlučan..Konačno, snimanje velikom brzinom koristi se za izravno mjerenje otklona vala savijanja na vrhu igle u zraku i vodi i za procjenu električne snage prenesene svakim nagibom i geometrije faktora snage otklona (DPR) ubrizganog srednji.
Kao što je prikazano na slici 2a, koristite cijev br. 21 (OD 0,80 mm, ID 0,49 mm, debljina stijenke cijevi 0,155 mm, standardna stijenka prema normi ISO 9626:201621) izrađenu od nehrđajućeg čelika 316 (Youngov modul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), gustoća 8070 kg/m\(^{3}\), Poissonov omjer 0,275).
Određivanje valne duljine savijanja i ugađanje modela konačnih elemenata (FEM) igle i rubnih uvjeta.(a) Određivanje duljine skošenja (BL) i duljine cijevi (TL).(b) Trodimenzionalni (3D) model konačnih elemenata (FEM) koji koristi harmonijsku točku sile \(\tilde{F}_y\vec{j}\) za pobuđivanje igle na proksimalnom kraju, otklon točke i mjerenje brzine po tipu (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) za izračun mehaničke transportne mobilnosti.\(\lambda _y\) definira se kao valna duljina savijanja povezana s okomitom silom \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Odredite težište, površinu poprečnog presjeka A i momente tromosti \(I_{xx}\) i \(I_{yy}\) oko x-osi odnosno y-osi.
Kao što je prikazano na sl.2b,c, za beskonačni (beskonačni) snop površine poprečnog presjeka A i na velikoj valnoj duljini u usporedbi s veličinom poprečnog presjeka snopa, fazna brzina savijanja (ili savijanja) \(c_{EI}\ ) definira se kao 22:
gdje je E Youngov modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je kutna frekvencija pobude (rad/s), gdje \( f_0 \ ) je linearna frekvencija (1/s ili Hz), I je moment tromosti područja oko interesne osi \((\text {m}^{4})\) i \(m'=\ rho _0 A \) je masa na jedinici duljine (kg/m), gdje je \(\rho _0\) gustoća \((\text {kg/m}^{3})\), a A je križ -površina presjeka grede (xy ravnina) (\ (\text {m}^{2}\)).Budući da je u našem slučaju primijenjena sila paralelna s okomitom y-osi, tj. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zanima nas samo moment tromosti područja oko vodoravne x- osi, tj. \(I_{xx} \), Zato:
Za model konačnih elemenata (FEM) pretpostavlja se čisti harmonijski pomak (m), pa se ubrzanje (\(\text {m/s}^{2}\)) izražava kao \(\partial ^2 \vec { u}/ \ djelomično t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), npr. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) je trodimenzionalni vektor pomaka definiran u prostornim koordinatama.Zamjenom potonjeg s konačno deformabilnim Lagrangeovim oblikom zakona ravnoteže momenta23, u skladu s njegovom implementacijom u programskom paketu COMSOL Multiphysics (verzije 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, SAD), daje se:
Gdje je \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je operator divergencije tenzora, a \({\underline{\sigma}}\) je drugi Piola-Kirchhoffov tenzor naprezanja (drugog reda, \(\ tekst { N /m}^{2}\)), i \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) je vektor tjelesne sile (\(\text {N/m}^{3}\)) svakog deformabilnog volumena, a \(e^{j\phi }\) je faza sila tijela, ima fazni kut \(\ phi\) (rad).U našem slučaju volumna sila tijela jednaka je nuli, a naš model pretpostavlja geometrijsku linearnost i male čisto elastične deformacije, tj. \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), gdje \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) i \({\underline{ \varepsilon}}\) – elastična deformacija odnosno ukupna deformacija (bezdimenzijska drugog reda).Hookeov konstitutivni izotropni tenzor elastičnosti \(\underline {\underline {C))\) dobiven je korištenjem Youngovog modula E(\(\text{N/m}^{2}\)) i definiran je Poissonov omjer v, tako da \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (četvrti red).Dakle, izračun naprezanja postaje \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Proračuni su provedeni s tetraedarskim elementima s 10 čvorova s ​​veličinom elementa \(\le\) 8 µm.Igla je modelirana u vakuumu, a vrijednost prijenosa mehaničke pokretljivosti (ms-1 H-1) definirana je kao \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, gdje je \(\tilde{v}_y\vec {j}\) izlazna kompleksna brzina nasadnika, a \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) je složena pokretačka sila smještena na proksimalnom kraju cijevi, kao što je prikazano na slici 2b.Transmisivna mehanička pokretljivost izražava se u decibelima (dB) koristeći najveću vrijednost kao referencu, tj. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Sva FEM istraživanja su provedena na frekvenciji od 29,75 kHz.
Dizajn igle (slika 3) sastoji se od konvencionalne potkožne igle promjera 21 (kataloški broj: 4665643, Sterican\(^\zaokruženoR\), vanjskog promjera 0,8 mm, duljine 120 mm, izrađene od AISI krom-nikal nehrđajući čelik 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Njemačka) postavio je plastični Luer Lock rukavac od polipropilena proksimalno s odgovarajućom modifikacijom vrha.Cijev igle je zalemljena na valovod kao što je prikazano na slici 3b.Valovod je isprintan na 3D printeru od nehrđajućeg čelika (EOS Stainless Steel 316L na 3D printeru EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finska) i zatim pričvršćen na Langevinov senzor pomoću M4 vijaka.Langevinov pretvarač sastoji se od 8 piezoelektričnih prstenastih elemenata s dva utega na svakom kraju.
Četiri vrste vrhova (na slici), komercijalno dostupna lanceta (L) i tri proizvedena osnosimetrična jednostupanjska kosina (AX1–3) karakterizirana su duljinom kosine (BL) od 4, 1,2 i 0,5 mm, redom.(a) Krupni plan gotovog vrha igle.(b) Pogled odozgo na četiri igle zalemljene na 3D tiskani valovod, a zatim spojene na Langevinov senzor vijcima M4.
Tri osnosimetrična skošena vrha (Sl. 3) (TAs Machine Tools Oy) proizvedena su s duljinama skošenja (BL, utvrđeno na Sl. 2a) od 4,0, 1,2 i 0,5 mm, što odgovara \(\približno\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) i 18\(^\circ\).Težina valovoda i igle su 3,4 ± 0,017 g (srednja vrijednost ± SD, n = 4) za kosinu L odnosno AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Njemačka).Ukupna duljina od vrha igle do kraja plastične čahure je 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm za kosinu L odnosno AX1-3 na slici 3b.
Za sve konfiguracije igle, duljina od vrha igle do vrha valovoda (tj. područja lemljenja) je 4,3 cm, a cijev igle je usmjerena tako da je skošenje okrenuto prema gore (tj. paralelno s Y osi ).), kao na (Sl. 2).
Prilagođena skripta u MATLAB-u (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, SAD) pokrenuta na računalu (Latitude 7490, Dell Inc., Teksas, SAD) korištena je za generiranje linearnog sinusoidnog pomicanja od 25 do 35 kHz u 7 sekundi, pretvara u analogni signal pomoću digitalno-analognog (DA) pretvarača (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, SAD).Analogni signal \(V_0\) (0,5 Vp-p) zatim je pojačan namjenskim radiofrekvencijskim (RF) pojačalom (Mariachi Oy, Turku, Finska).Padajući napon pojačanja \({V_I}\) izlazi iz RF pojačala s izlaznom impedancijom od 50 \(\Omega\) u transformator ugrađen u strukturu igle s ulaznom impedancijom od 50 \(\Omega)\) Langevinov pretvornik (prednji i stražnji višeslojni piezoelektrični pretvornici, opterećeni masom) koriste se za generiranje mehaničkih valova.Prilagođeno RF pojačalo opremljeno je dvokanalnim mjeračem faktora snage stojnog vala (SWR) koji može detektirati incidentni \({V_I}\) i reflektirani pojačani napon \(V_R\) kroz 300 kHz analogno-digitalni (AD ) pretvarač (Analog Discovery 2).Pobudni signal je amplitudno moduliran na početku i na kraju kako bi se spriječilo preopterećenje ulaza pojačala prijelaznim pojavama.
Korištenjem prilagođene skripte implementirane u MATLAB-u, funkcija frekvencijskog odziva (AFC), tj. pretpostavlja linearni stacionarni sustav.Također, primijenite pojasni filtar od 20 do 40 kHz kako biste uklonili sve neželjene frekvencije iz signala.Pozivajući se na teoriju dalekovoda, \(\tilde{H}(f)\) u ovom slučaju je ekvivalentan koeficijentu refleksije napona, tj. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Budući da izlazna impedancija pojačala \(Z_0\) odgovara ulaznoj impedanciji ugrađenog transformatora pretvarača, a koeficijent refleksije električne snage \({P_R}/{P_I}\) smanjen je na \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) jednako \ (|\rho _{V}|^2\).U slučaju kada je potrebna apsolutna vrijednost električne snage, izračunajte upadnu \(P_I\) i reflektiranu\(P_R\) snagu (W) uzimajući korijen srednje kvadratne (rms) vrijednosti odgovarajućeg napona, na primjer, za prijenosni vod sa sinusoidnom pobudom, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, gdje je \(Z_0\) jednako 50 \(\Omega\).Električna snaga isporučena opterećenju \(P_T\) (tj. umetnutom mediju) može se izračunati kao \(|P_I – P_R |\) (W RMS), a učinkovitost prijenosa snage (PTE) može se definirati i izraziti kao postotak (%) tako daje 27:
Frekvencijski odziv se zatim koristi za procjenu modalnih frekvencija \(f_{1-3}\) (kHz) dizajna igle i odgovarajuće učinkovitosti prijenosa snage, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) procjenjuje se izravno iz \(\text {PTE}_{1{-}3}\), iz tablice 1 frekvencije \(f_{1-3}\) opisane u .
Metoda za mjerenje frekvencijskog odziva (AFC) igličaste strukture.Dvokanalno mjerenje swept-sinusa25,38 koristi se za dobivanje funkcije frekvencijskog odziva \(\tilde{H}(f)\) i njezinog impulsnog odziva H(t).\({\mathcal {F}}\) i \({\mathcal {F}}^{-1}\) označavaju numeričku skraćenu Fourierovu transformaciju odnosno operaciju inverzne transformacije.\(\tilde{G}(f)\) znači da se dva signala množe u frekvencijskoj domeni, npr. \(\tilde{G}_{XrX}\) znači inverzno skeniranje\(\tilde{X} r( f )\) i signal pada napona \(\tilde{X}(f)\).
Kao što je prikazano na sl.5, kamera velike brzine (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, SAD) opremljena makro lećom (MP-E 65 mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokio, Japan) korišteni su za snimanje otklona vrha igle podvrgnutog pobuđivanju savijanjem (jedna frekvencija, kontinuirana sinusoida) na frekvenciji od 27,5–30 kHz.Za izradu mape sjena, ohlađeni element bijele LED diode visokog intenziteta (broj dijela: 4052899910881, Bijela LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Njemačka) postavljen je iza kosine igle.
Pogled sprijeda na eksperimentalni postav.Dubina se mjeri od površine medija.Struktura igle je stegnuta i postavljena na motorizirani prijenosni stol.Upotrijebite kameru velike brzine s lećom velikog povećanja (5\(\puta\)) za mjerenje otklona skošenog vrha.Sve dimenzije su u milimetrima.
Za svaku vrstu kosine igle snimili smo 300 okvira kamere velike brzine od 128 \(\x\) 128 piksela, svaki s prostornom razlučivošću od 1/180 mm (\(\približno) 5 µm), s vremenskom razlučivošću od 310.000 sličica u sekundi.Kao što je prikazano na slici 6, svaki okvir (1) je izrezan (2) tako da je vrh u zadnjoj liniji (dnu) okvira, a zatim se izračunava histogram slike (3), tako da Canny pragovi 1 i 2 može se odrediti.Zatim primijenite otkrivanje rubova Canny28(4) pomoću Sobel operatora 3 \(\times\) 3 i izračunajte poziciju piksela nekavitacijske hipotenuze (označenu \(\mathbf {\times }\)) za sve korake od 300 puta .Za određivanje raspona progiba na kraju, izračunava se derivacija (koristeći algoritam središnje razlike) (6) i identificira se okvir koji sadrži lokalne ekstreme (tj. vrh) progiba (7).Nakon vizualnog pregleda ruba bez kavitacije, odabran je par okvira (ili dva okvira odvojena pola vremenskog razdoblja) (7) i izmjereno je otklon vrha (označeno \(\mathbf {\times} \ ) Gore navedeno je implementirano u Pythonu (v3.8, Python Software Foundation, python.org) pomoću algoritma za otkrivanje rubova OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteka računalnog vida otvorenog koda, opencv.org električna energija \ (P_T \) (W, rms). .
Otklon vrha izmjeren je upotrebom niza okvira snimljenih kamerom velike brzine na 310 kHz pomoću algoritma u 7 koraka (1-7) uključujući kadriranje (1-2), Canny otkrivanje rubova (3-4), rub lokacije piksela izračun (5) i njihove vremenske derivacije (6), te na kraju izmjereni su otklon vrha od vrha do vrha na vizualno pregledanim parovima okvira (7).
Mjerenja su obavljena u zraku (22,4-22,9°C), deioniziranoj vodi (20,8-21,5°C) i balističkoj želatini 10% (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatina od goveđe i svinjske kosti za balističku analizu tipa I, Honeywell International, Sjeverna Karolina, SAD).Temperatura je mjerena s termoelementom tipa K (AD595, Analog Devices Inc., MA, SAD) i termoelementom tipa K (Fluke 80PK-1 Bead Probe br. 3648 tip-K, Fluke Corporation, Washington, SAD).Od medija Dubina je mjerena od površine (postavljene kao ishodište z-osi) pomoću vertikalnog motoriziranog z-osi postolja (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litva) s rezolucijom od 5 µm.po koraku.
Budući da je veličina uzorka bila mala (n = 5) i nije se mogla pretpostaviti normalnost, korišten je Wilcoxonov test sume ranga s dva uzorka (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). za usporedbu količine varijance vrha igle za različite kosine.Postojale su 3 usporedbe po nagibu, pa je primijenjena Bonferronijeva korekcija s prilagođenom razinom značajnosti od 0,017 i stopom pogreške od 5%.
Okrenimo se sada slici 7.Na frekvenciji od 29,75 kHz, poluval savijanja (\(\lambda_y/2\)) igle kalibra 21 je \(\približno) 8 mm.Kako se približava vrhu, valna duljina savijanja smanjuje se duž kosog kuta.Na vrhu \(\lambda _y/2\) \(\približno\) postoje koraci od 3, 1 i 7 mm za uobičajeni lancetasti (a), asimetrični (b) i osnosimetrični (c) nagib jedne igle , odnosno.Dakle, to znači da je domet lancete \(\približno) 5 mm (zbog činjenice da dvije ravnine lancete tvore jednu točku29,30), asimetrični skošeni dio je 7 mm, asimetrični skošeni je 1 mm. mm.Osnosimetrični nagibi (težište ostaje konstantno, pa se uz nagib zapravo mijenja samo debljina stijenke cijevi).
FEM istraživanja i primjena jednadžbi na frekvenciji od 29,75 kHz.(1) Pri izračunavanju varijacije poluvala savijanja (\(\lambda_y/2\)) za lancetastu (a), asimetričnu (b) i osnosimetričnu (c) geometriju kosine (kao na sl. 1a,b,c ) .Prosječna vrijednost \(\lambda_y/2\) lancetastih, asimetričnih i osnosimetričnih kosina bila je 5,65, 5,17, odnosno 7,52 mm.Imajte na umu da je debljina vrha za asimetrične i osnosimetrične kosine ograničena na \(\približno) 50 µm.
Vršna pokretljivost \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je optimalna kombinacija duljine cijevi (TL) i duljine kosine (BL) (sl. 8, 9).Za konvencionalnu lancetu, budući da je njezina veličina fiksna, optimalni TL je \(\približno) 29,1 mm (slika 8).Za asimetrične i osnosimetrične kosine (sl. 9a, b, respektivno), FEM studije su uključivale BL od 1 do 7 mm, tako da su optimalni TL bili od 26,9 do 28,7 mm (raspon 1,8 mm) i od 27,9 do 29,2 mm (raspon 1,3 mm).Za asimetrični nagib (Sl. 9a), optimalni TL je rastao linearno, dosegnuo plato na BL 4 mm, a zatim se naglo smanjio s BL 5 na 7 mm.Za osnosimetrični kos (Sl. 9b), optimalni TL raste linearno s povećanjem BL i konačno se stabilizirao na BL od 6 do 7 mm.Proširena studija osnosimetričnog nagiba (Slika 9c) otkrila je drugačiji skup optimalnih TL-ova na \(\približno) 35,1–37,1 mm.Za sve BL, udaljenost između dva najbolja TL je \(\približno\) 8 mm (ekvivalentno \(\lambda_y/2\)).
Pokretljivost prijenosa lancete na 29,75 kHz.Igla je fleksibilno pobuđena na frekvenciji od 29,75 kHz, a vibracija je izmjerena na vrhu igle i izražena kao količina prenesene mehaničke pokretljivosti (dB u odnosu na maksimalnu vrijednost) za TL 26,5-29,5 mm (u koracima od 0,1 mm) .
Parametrijske studije FEM-a na frekvenciji od 29,75 kHz pokazuju da promjena duljine cijevi manje utječe na pokretljivost prijenosa osnosimetričnog vrha nego njegovog asimetričnog dvojnika.Studije duljine kosine (BL) i duljine cijevi (TL) asimetrične (a) i osnosimetrične (b, c) geometrije kosine u studiji frekvencijske domene korištenjem FEM (rubni uvjeti prikazani su na slici 2).(a, b) TL je bio u rasponu od 26,5 do 29,5 mm (korak od 0,1 mm), a BL 1–7 mm (korak od 0,5 mm).(c) Proširene osnosimetrične studije nagiba uključujući TL 25–40 mm (u koracima od 0,05 mm) i BL 0,1–7 mm (u koracima od 0,1 mm) koje pokazuju da \(\lambda_y/2\ ) mora ispunjavati zahtjeve vrha.pokretni rubni uvjeti.
Konfiguracija igle ima tri vlastite frekvencije \(f_{1-3}\) podijeljene u područja niskog, srednjeg i visokog moda kao što je prikazano u tablici 1. Veličina PTE zabilježena je kao što je prikazano na slici.10, a zatim analizirani na slici 11. Ispod su nalazi za svako modalno područje:
Tipične snimljene amplitude trenutne učinkovitosti prijenosa snage (PTE) dobivene sinusoidnom pobudom swept-frekvencije za lancetu (L) i osnosimetričnu kosinu AX1-3 u zraku, vodi i želatini na dubini od 20 mm.Prikazani su jednostrani spektri.Izmjereni frekvencijski odziv (uzorkovan na 300 kHz) je niskopropusno filtriran i zatim smanjen za faktor 200 za modalnu analizu.Omjer signal-šum je \(\le\) 45 dB.PTE faze (ljubičaste isprekidane linije) prikazane su u stupnjevima (\(^{\circ}\)).
Analiza modalnog odgovora (srednja vrijednost ± standardna devijacija, n = 5) prikazana na slici 10, za nagibe L i AX1-3, u zraku, vodi i 10% želatine (dubina 20 mm), s (gornja) tri modalna područja ( niska, srednja i visoka) i njihove odgovarajuće modalne frekvencije\(f_{1-3 }\) (kHz), (prosječna) energetska učinkovitost \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Izračunato pomoću ekvivalenata .(4) i (dolje) puna širina na polovici maksimalnih mjerenja \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), redom.Imajte na umu da je mjerenje propusnosti preskočeno kada je registriran nizak PTE, tj. \(\text {FWHM}_{1}\) u slučaju nagiba AX2.Utvrđeno je da je način rada \(f_2\) najprikladniji za usporedbu otklona padine jer je pokazao najvišu razinu učinkovitosti prijenosa snage (\(\text {PTE}_{2}\)), do 99%.
Prvo modalno područje: \(f_1\) ne ovisi mnogo o vrsti umetnutog medija, ali ovisi o geometriji nagiba.\(f_1\) smanjuje se sa smanjenjem duljine kosine (27,1, 26,2 i 25,9 kHz u zraku za AX1-3, redom).Regionalni prosjeci \(\text {PTE}_{1}\) i \(\text {FWHM}_{1}\) su \(\približno\) 81% odnosno 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) ima najveći sadržaj želatine u Lancetu (L, 473 Hz).Imajte na umu da se \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 u želatini nije moglo ocijeniti zbog niske zabilježene FRF amplitude.
Drugo modalno područje: \(f_2\) ovisi o vrsti umetnutog medija i kosini.Prosječne vrijednosti \(f_2\) su 29,1, 27,9 i 28,5 kHz u zraku, vodi i želatini, redom.Ova modalna regija također je pokazala visok PTE od 99%, najviši od bilo koje izmjerene skupine, s regionalnim prosjekom od 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) ima regionalni prosjek od \(\približno\) 910 Hz.
Područje trećeg moda: frekvencija \(f_3\) ovisi o vrsti medija i kosini.Prosječne \(f_3\) vrijednosti su 32,0, 31,0 i 31,3 kHz u zraku, vodi i želatini, redom.\(\text {PTE}_{3}\) regionalni prosjek bio je \(\otprilike\) 74%, najniži u bilo kojoj regiji.Regionalni prosjek \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\približno\) 1085 Hz, što je više od prve i druge regije.
       Sljedeće se odnosi na sl.12 i Tablica 2. Lanceta (L) se najviše otklonila (s visokom značajnošću za sve vrhove, \(p<\) 0,017) i u zraku i u vodi (Sl. 12a), postigavši ​​najveći DPR (do 220 µm/ W u zraku). 12 i Tablica 2. Lanceta (L) se najviše otklonila (s visokom značajnošću za sve vrhove, \(p<\) 0,017) i u zraku i u vodi (Sl. 12a), postigavši ​​najveći DPR (do 220 µm/ W u zraku). Sljedeće se odnosi na sliku 12 i tablicu 2. Lancet (L) je više odklonjen (s visokom značajnošću za sve nakonečnike, \(p<\) 0,017) kao u zraku, tako iu vodi (slika 12a), postignut je najviši DPR . Sljedeće se odnosi na sliku 12 i tablicu 2. Lanceta (L) se najviše skrenula (s visokom značajnošću za sve vrhove, \(p<\) 0,017) iu zraku iu vodi (slika 12a), postigavši ​​najveći DPR.(do 220 μm/W u zraku).Smt.Slika 12 i tablica 2 u nastavku.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) ima najveći otklon u zraku i vodi (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), i postigao je najveći DPR (do 220 µm/W u zrak). Lancet (L) se više sklonio (visoka značajnost za sve nakonečnike, \(p<\) 0,017) u zraku i vodama (slika 12a), dostigao najveći DPR (do 220 mkm/Vt u zraku). Lanceta (L) se najviše otklonila (visoka značajnost za sve vrhove, \(p<\) 0,017) u zraku i vodi (Sl. 12a), dosegnuvši najveći DPR (do 220 µm/W u zraku). U zraku, AX1 koji je imao viši BL, otklonio se više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (koji je imao najniži BL) otklonio više od AX2 s DPR-om od 190 µm/W. U zraku, AX1 koji je imao viši BL, otklonio se više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (koji je imao najniži BL) otklonio više od AX2 s DPR-om od 190 µm/W. U zraku AX1 s višim BL klonirao se više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (s najnižim BL) kloniran više od AX2 s DPR 190 mkm/Vt. U zraku, AX1 s višim BL otklonio se više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (s najnižim BL) otklonio više od AX2 s 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 . U zraku, otklon AX1 s višim BL veći je od onog AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), a otklon AX3 (s najnižim BL) veći je od onog AX2, DPR je 190 µm/W. U zraku AX1 s višim BL-om se više odbija od AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), dok se AX3 (s najnižim BL-om) odbija više od AX2 s DPR 190 mkm/Vt. U zraku, AX1 s višim BL otklanja više od AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), dok AX3 (s najnižim BL) otklanja više od AX2 s DPR 190 µm/W.Na 20 mm vode, otklon i PTE AX1–3 nisu se značajno razlikovali (\(p>\) 0,017).Razine PTE u vodi (90,2–98,4%) bile su općenito više nego u zraku (56–77,5%) (Slika 12c), a fenomen kavitacije primijećen je tijekom eksperimenta u vodi (Slika 13, vidi i dodatne informacija).
Količina otklona vrha (srednja vrijednost ± SD, n = 5) izmjerena za kosinu L i AX1-3 u zraku i vodi (dubina 20 mm) pokazuje učinak promjene geometrije kosine.Mjerenja su dobivena kontinuiranom jednofrekventnom sinusoidnom pobudom.(a) Odstupanje od vrha do vrha (\(u_y\vec {j}\)) na vrhu, mjereno na (b) njihovim odgovarajućim modalnim frekvencijama \(f_2\).(c) Učinkovitost prijenosa snage (PTE, RMS, %) jednadžbe.(4) i (d) Faktor snage otklona (DPR, µm/W) izračunat kao odstupanje od vrha do vrha i prenesena električna snaga \(P_T\) (Wrms).
Tipični dijagram sjene kamere velike brzine koji prikazuje odstupanje od vrha do vrha (zelene i crvene isprekidane linije) lancete (L) i osnosimetričnog vrha (AX1–3) u vodi (dubina 20 mm) tijekom pola ciklusa.ciklusu, na frekvenciji pobude \(f_2\) (frekvencija uzorkovanja 310 kHz).Snimljena slika u sivim tonovima ima veličinu od 128×128 piksela i veličinu piksela od \(\približno\) 5 µm.Video možete pronaći u dodatnim informacijama.
Tako smo modelirali promjenu valne duljine savijanja (Sl. 7) i izračunali prijenosnu mehaničku pokretljivost za kombinacije duljine cijevi i skošenja (Sl. 8, 9) za konvencionalne lancetaste, asimetrične i osnosimetrične skošenja geometrijskih oblika.Na temelju posljednjeg, procijenili smo optimalnu udaljenost od 43 mm (ili \(\približno) 2,75\(\lambda _y\) na 29,75 kHz) od vrha do zavara, kao što je prikazano na slici 5, i napravili tri osnosimetrična skošenja s različitim duljinama skošenja.Zatim smo karakterizirali njihovo frekvencijsko ponašanje u zraku, vodi i 10% (w/v) balističkoj želatini u usporedbi s konvencionalnim lancetama (Slike 10, 11) i odredili način najprikladniji za usporedbu kosog otklona.Konačno, izmjerili smo otklon vrha valom savijanja u zraku i vodi na dubini od 20 mm i kvantificirali učinkovitost prijenosa snage (PTE, %) i faktor snage otklona (DPR, µm/W) medija za umetanje za svaki skošeni dio.kutni tip (slika 12).
Pokazalo se da geometrija kosine igle utječe na količinu otklona vrha igle.Lanceta je postigla najveću defleksiju i najveći DPR u usporedbi s osnosimetričnim skošenjem s manjim prosječnim otklonom (Sl. 12).Osnosimetrična kosina od 4 mm (AX1) s najdužom kosom postigla je statistički značajan maksimalni otklon u zraku u usporedbi s drugim osnosimetričnim iglama (AX2–3) (\(p < 0,017\), Tablica 2), ali nije bilo značajne razlike .opaženo kada se igla stavi u vodu.Prema tome, nema očite prednosti veće duljine skošenja u smislu vršnog otklona na vrhu.Imajući to na umu, pokazalo se da geometrija kosine koja se proučava u ovoj studiji ima veći utjecaj na količinu otklona nego duljina kosine.To može biti zbog krutosti na savijanje, na primjer ovisno o ukupnoj debljini materijala koji se savija i dizajnu igle.
U eksperimentalnim studijama, na veličinu reflektiranog savojnog vala utječu granični uvjeti vrha.Kada se vrh igle umetne u vodu i želatinu, \(\text {PTE}_{2}\) je \(\približno\) 95%, a \(\text {PTE}_{ 2}\) je \ (\text {PTE}_{ 2}\) vrijednosti su 73% i 77% za (\text {PTE}_{1}\) i \(\text {PTE}_{3}\), odnosno (slika 11).To znači da se maksimalni prijenos akustične energije na medij za lijevanje, tj. vodu ili želatinu, događa na \(f_2\).Slično ponašanje primijećeno je u prethodnoj studiji31 korištenjem jednostavnije konfiguracije uređaja u frekvencijskom području 41-43 kHz, u kojoj su autori pokazali ovisnost koeficijenta refleksije napona o mehaničkom modulu medija za ugradnju.Dubina prodiranja32 i mehanička svojstva tkiva osiguravaju mehaničko opterećenje igle i stoga se očekuje da utječu na rezonantno ponašanje UZEFNAB-a.Stoga se algoritmi za praćenje rezonancije (npr. 17, 18, 33) mogu koristiti za optimizaciju akustične snage koja se isporučuje kroz iglu.
Simulacija na valnim duljinama savijanja (slika 7) pokazuje da je osnosimetrični vrh strukturno krući (tj. krući u savijanju) od lancete i asimetričnog skošenog vrha.Na temelju (1) i korištenjem poznatog odnosa brzina-frekvencija, procjenjujemo krutost savijanja na vrhu igle kao \(\oko\) 200, 20 i 1500 MPa za lancetastu, asimetričnu i aksijalno nagnutu ravninu.To odgovara \(\lambda_y\) od \(\otprilike\) 5,3, 1,7, odnosno 14,2 mm, redom, na 29,75 kHz (Sl. 7a–c).S obzirom na kliničku sigurnost tijekom USeFNAB-a, treba procijeniti učinak geometrije na strukturnu krutost nagnute ravnine34.
Studija parametara kosine u odnosu na duljinu cijevi (slika 9) pokazala je da je optimalni raspon prijenosa veći za asimetričnu kosinu (1,8 mm) nego za osnosimetričnu kosinu (1,3 mm).Osim toga, pokretljivost je stabilna na \(\približno) od 4 do 4,5 mm odnosno od 6 do 7 mm za asimetrične i osnosimetrične nagibe, redom (sl. 9a, b).Praktična važnost ovog otkrića izražena je u proizvodnim tolerancijama, na primjer, niži raspon optimalnog TL može značiti da je potrebna veća točnost duljine.U isto vrijeme, plato mobilnosti pruža veću toleranciju za odabir duljine pada na danoj frekvenciji bez značajnog utjecaja na mobilnost.
Studija uključuje sljedeća ograničenja.Izravno mjerenje otklona igle pomoću detekcije rubova i snimanja velikom brzinom (Slika 12) znači da smo ograničeni na optički prozirne medije kao što su zrak i voda.Također želimo istaknuti da nismo koristili eksperimente za testiranje simulirane pokretljivosti prijenosa i obrnuto, već smo koristili FEM studije za određivanje optimalne duljine za izradu igle.S obzirom na praktična ograničenja, duljina lancete od vrha do rukavca je \(\približno) 0,4 cm duža od ostalih igala (AX1-3), vidi sl.3b.To može utjecati na modalni odgovor dizajna igle.Osim toga, oblik i volumen lema na kraju igle valovoda (vidi sliku 3) mogu utjecati na mehaničku impedanciju dizajna igle, unoseći pogreške u mehaničku impedanciju i ponašanje pri savijanju.
Konačno, pokazali smo da eksperimentalna geometrija kosine utječe na količinu otklona u USeFNAB-u.Ako bi veći otklon imao pozitivan učinak na učinak igle na tkivo, kao što je učinkovitost rezanja nakon probijanja, tada se u USeFNAB-u može preporučiti konvencionalna lanceta jer pruža maksimalan otklon uz održavanje odgovarajuće krutosti strukturalnog vrha..Štoviše, nedavna studija35 pokazala je da veći otklon vrha može pojačati biološke učinke kao što je kavitacija, što može olakšati razvoj minimalno invazivnih kirurških primjena.S obzirom na to da se pokazalo da povećanje ukupne akustične snage povećava broj biopsija u USeFNAB13, potrebna su daljnja kvantitativna istraživanja količine i kvalitete uzorka kako bi se procijenile detaljne kliničke prednosti proučavane geometrije igle.