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.
Utemeljene na interdisciplinarnom sjecištu fizike i znanosti o životu, dijagnostičke i terapijske strategije temeljene na preciznoj medicini u posljednje su vrijeme privukle značajnu pozornost zbog praktične primjenjivosti novih inženjerskih metoda u mnogim područjima medicine, posebice u onkologiji.Unutar tog okvira, korištenje ultrazvuka za napad na stanice raka u tumorima kako bi se uzrokovala moguća mehanička oštećenja različitih razmjera privlači sve veću pozornost znanstvenika diljem svijeta.Uzimajući u obzir ove čimbenike, na temelju elastodinamičkih vremenskih rješenja i numeričkih simulacija, predstavljamo preliminarnu studiju računalne simulacije širenja ultrazvuka u tkivima kako bismo odabrali odgovarajuće frekvencije i snage lokalnim zračenjem.Nova dijagnostička platforma za laboratorijsku On-Fiber tehnologiju, nazvana bolnička igla i već patentirana.Vjeruje se da bi rezultati analize i srodni biofizički uvidi mogli utrti put novim integriranim dijagnostičkim i terapijskim pristupima koji bi mogli igrati središnju ulogu u primjeni precizne medicine u budućnosti, crpeći iz područja fizike.Počinje rastuća sinergija između biologije.
Optimizacijom velikog broja kliničkih primjena postupno se počela javljati potreba za smanjenjem nuspojava kod pacijenata.U tu je svrhu precizna medicina1, 2, 3, 4, 5 postala strateški cilj smanjenja doze lijekova koji se isporučuju pacijentima, u biti slijedeći dva glavna pristupa.Prvi se temelji na liječenju osmišljenom prema genomskom profilu pacijenta.Drugi, koji postaje zlatni standard u onkologiji, ima za cilj izbjegavanje postupaka sustavne primjene lijeka pokušajem otpuštanja male količine lijeka, dok se u isto vrijeme povećava točnost korištenjem lokalne terapije.Konačni cilj je eliminirati ili barem minimizirati negativne učinke mnogih terapijskih pristupa, poput kemoterapije ili sustavne primjene radionuklida.Ovisno o vrsti raka, lokaciji, dozi zračenja i drugim čimbenicima, čak i terapija zračenjem može imati visok inherentni rizik za zdravo tkivo.U liječenju glioblastoma6,7,8,9 kirurški zahvat uspješno uklanja temeljni karcinom, ali čak i u nedostatku metastaza mogu biti prisutni mnogi mali kancerozni infiltrati.Ako se ne uklone u potpunosti, nove kancerogene mase mogu izrasti u relativno kratkom vremenskom razdoblju.U tom kontekstu, gore navedene strategije precizne medicine teško je primijeniti jer je te infiltrate teško otkriti i proširiti na velikom području.Ove prepreke sprječavaju konačne rezultate u sprječavanju bilo kakvog recidiva s preciznom medicinom, pa se u nekim slučajevima preferiraju sistemske metode primjene, iako korišteni lijekovi mogu imati vrlo visoke razine toksičnosti.Za prevladavanje ovog problema, idealan pristup liječenju bio bi korištenje minimalno invazivnih strategija koje mogu selektivno napasti stanice raka bez utjecaja na zdravo tkivo.U svjetlu ovog argumenta, korištenje ultrazvučnih vibracija, za koje se pokazalo da različito utječu na kancerogene i zdrave stanice, kako u jednostaničnim sustavima tako i u mezoskalnim heterogenim klasterima, čini se kao moguće rješenje.
S mehaničkog gledišta, zdrave i kancerogene stanice zapravo imaju različite prirodne rezonantne frekvencije.Ovo je svojstvo povezano s onkogenim promjenama u mehaničkim svojstvima citoskeletne strukture stanica raka12,13, dok su tumorske stanice u prosjeku deformabilnije od normalnih stanica.Dakle, uz optimalan izbor frekvencije ultrazvuka za stimulaciju, vibracije inducirane u odabranim područjima mogu uzrokovati oštećenje živih kancerogenih struktura, minimizirajući utjecaj na zdravu okolinu domaćina.Ovi još uvijek nerazjašnjeni učinci mogu uključivati ​​uništavanje određenih staničnih strukturnih komponenti zbog visokofrekventnih vibracija izazvanih ultrazvukom (u principu vrlo slično litotripsiji14) i stanično oštećenje zbog fenomena sličnog mehaničkom zamoru, koji zauzvrat može promijeniti staničnu strukturu .programiranje i mehanobiologija.Iako se ovo teorijsko rješenje čini vrlo prikladnim, nažalost ne može se koristiti u slučajevima kada anehogene biološke strukture onemogućuju izravnu primjenu ultrazvuka, na primjer, u intrakranijalnim aplikacijama zbog prisutnosti kosti, a neke tumorske mase dojke nalaze se u masnom tkivu. tkivo.Slabljenje može ograničiti mjesto potencijalnog terapeutskog učinka.Kako bi se prevladali ti problemi, ultrazvuk se mora primijeniti lokalno s posebno dizajniranim sondama koje mogu doprijeti do ozračenog mjesta što je moguće manje invazivno.Imajući to na umu, razmatrali smo mogućnost korištenja ideja vezanih uz mogućnost stvaranja inovativne tehnološke platforme pod nazivom „bolnica s iglom“15.Koncept “Bolnica u igli” uključuje razvoj minimalno invazivnog medicinskog instrumenta za dijagnostičku i terapijsku primjenu, koji se temelji na kombinaciji različitih funkcija u jednoj medicinskoj igli.Kao što je detaljnije objašnjeno u odjeljku Bolničke igle, ovaj kompaktni uređaj prvenstveno se temelji na prednostima optičkih sondi 16, 17, 18, 19, 20, 21, koje su zbog svojih karakteristika prikladne za umetanje u standardne 20 sondi. medicinske igle, 22 lumena.Iskorištavajući fleksibilnost koju pruža tehnologija Lab-on-Fiber (LOF)23, vlakna učinkovito postaju jedinstvena platforma za minijaturizirane i spremne za korištenje dijagnostičke i terapeutske uređaje, uključujući uređaje za biopsiju tekućine i biopsiju tkiva.u biomolekularnoj detekciji24,25, svjetlosno vođenoj lokalnoj isporuci lijeka26,27, visokopreciznom lokalnom ultrazvučnom oslikavanju28, toplinskoj terapiji29,30 i identifikaciji tkiva raka temeljenoj na spektroskopiji31.Unutar ovog koncepta, korištenjem lokalizacijskog pristupa koji se temelji na uređaju "igla u bolnici", istražujemo mogućnost optimiziranja lokalne stimulacije rezidentnih bioloških struktura korištenjem širenja ultrazvučnih valova kroz igle za pobuđivanje ultrazvučnih valova unutar područja interesa..Dakle, terapijski ultrazvuk niskog intenziteta može se primijeniti izravno na rizično područje uz minimalnu invazivnost za sonikaciju stanica i malih čvrstih formacija u mekim tkivima, kao što je u slučaju gore spomenute intrakranijalne operacije mala rupa u lubanji mora biti umetnuta s igla.Nadahnut nedavnim teorijskim i eksperimentalnim rezultatima koji sugeriraju da ultrazvuk može zaustaviti ili odgoditi razvoj određenih vrsta raka,32,33,34 predloženi pristup može pomoći u rješavanju, barem u načelu, ključnih kompromisa između agresivnih i ljekovitih učinaka.Imajući ova razmatranja na umu, u ovom radu istražujemo mogućnost uporabe bolničkog uređaja s iglom za minimalno invazivnu ultrazvučnu terapiju raka.Točnije, u odjeljku Analize raspršenja sfernih tumorskih masa za procjenu frekvencije ultrazvuka ovisne o rastu, koristimo se dobro utvrđenim elastodinamičkim metodama i teorijom akustičnog raspršenja za predviđanje veličine sferičnih čvrstih tumora uzgojenih u elastičnom mediju.ukočenost koja se javlja između tumora i tkiva domaćina zbog remodeliranja materijala izazvanog rastom.Nakon što smo opisali naš sustav, koji nazivamo odjeljak "Bolnica u igli", u odjeljku "Bolnica u igli" analiziramo širenje ultrazvučnih valova kroz medicinske igle na predviđenim frekvencijama i njihov numerički model zrači okolinu za proučavanje glavni geometrijski parametri (stvarni unutarnji promjer, duljina i oštrina igle), koji utječu na prijenos akustične snage instrumenta.S obzirom na potrebu za razvojem novih inženjerskih strategija za preciznu medicinu, vjeruje se da bi predložena studija mogla pomoći u razvoju novog alata za liječenje raka temeljenog na upotrebi ultrazvuka koji se isporučuje kroz integriranu teragnostičku platformu koja integrira ultrazvuk s drugim rješenjima.Kombinirano, kao što je ciljana isporuka lijeka i dijagnostika u stvarnom vremenu unutar jedne igle.
Učinkovitost pružanja mehaničkih strategija za liječenje lokaliziranih solidnih tumora korištenjem ultrazvučne (ultrazvučne) stimulacije bila je cilj nekoliko radova koji se teorijski i eksperimentalno bave učinkom ultrazvučnih vibracija niskog intenziteta na jednostanične sustave 10, 11, 12. , 32, 33, 34, 35, 36 Koristeći viskoelastične modele, nekoliko je istraživača analitički pokazalo da tumorske i zdrave stanice pokazuju različite frekvencijske odgovore karakterizirane različitim rezonantnim vrhovima u rasponu US 10,11,12.Ovaj rezultat sugerira da, u načelu, tumorske stanice mogu biti selektivno napadnute mehaničkim podražajima koji čuvaju okolinu domaćina.Ovo ponašanje izravna je posljedica ključnih dokaza da su, u većini slučajeva, tumorske stanice podatnije od zdravih stanica, vjerojatno zbog povećanja njihove sposobnosti proliferacije i migracije37,38,39,40.Na temelju rezultata dobivenih s modelima pojedinačnih stanica, npr. na mikroskali, selektivnost stanica raka također je dokazana na mezoskali kroz numeričke studije harmoničnih odgovora heterogenih staničnih agregata.Dajući različit postotak stanica raka i zdravih stanica, višestanični agregati veličine stotine mikrometara izgrađeni su hijerarhijski.Na mezorazini ovih agregata očuvane su neke mikroskopske značajke od interesa zahvaljujući izravnoj implementaciji glavnih strukturnih elemenata koji karakteriziraju mehaničko ponašanje pojedinačnih stanica.Konkretno, svaka stanica koristi arhitekturu temeljenu na tensegrityju za oponašanje odgovora različitih prednapregnutih struktura citoskeleta, čime utječe na njihovu ukupnu krutost12,13.Teorijska predviđanja i in vitro eksperimenti navedene literature dali su ohrabrujuće rezultate, ukazujući na potrebu proučavanja osjetljivosti tumorskih masa na terapeutski ultrazvuk niskog intenziteta (LITUS), a procjena učestalosti zračenja tumorskih masa je ključna.položaj LITUS za primjenu na licu mjesta.
Međutim, na razini tkiva neizbježno se gubi submakroskopski opis pojedinačne komponente, a svojstva tumorskog tkiva mogu se pratiti korištenjem sekvencijalnih metoda za praćenje rasta mase i procesa remodeliranja izazvanih stresom, uzimajući u obzir makroskopske učinke rast.-izazvane promjene elastičnosti tkiva na ljestvici od 41,42.Doista, za razliku od jednostaničnih i agregatnih sustava, čvrste tumorske mase rastu u mekim tkivima zbog postupnog nakupljanja aberantnih zaostalih naprezanja, koja mijenjaju prirodna mehanička svojstva zbog povećanja ukupne intratumorske rigidnosti, a tumorska skleroza često postaje odlučujući čimbenik u otkrivanje tumora.
Imajući ova razmatranja na umu, ovdje analiziramo sonodinamički odgovor tumorskih sferoida modeliranih kao elastične sferne inkluzije koje rastu u normalnom tkivnom okruženju.Točnije, elastična svojstva povezana sa stadijem tumora određena su na temelju teorijskih i eksperimentalnih rezultata do kojih su neki autori došli u prijašnjem radu.Među njima, evolucija čvrstih tumorskih sferoida uzgojenih in vivo u heterogenim medijima proučavana je primjenom nelinearnih mehaničkih modela 41,43,44 u kombinaciji s interspecies dinamikom za predviđanje razvoja tumorskih masa i povezanog intratumoralnog stresa.Kao što je gore spomenuto, rast (npr. neelastično predistezanje) i zaostalo naprezanje uzrokuju progresivno preoblikovanje svojstava materijala tumora, čime se također mijenja njegov akustični odgovor.Važno je napomenuti da u ref.41 koevolucija rasta i čvrstog stresa u tumorima dokazana je u eksperimentalnim kampanjama na životinjskim modelima.Konkretno, usporedba krutosti tumorskih masa dojke reseciranih u različitim stadijima s krutošću dobivenom reprodukcijom sličnih uvjeta in silico na sfernom modelu konačnih elemenata s istim dimenzijama i uzimajući u obzir predviđeno polje zaostalog naprezanja potvrdila je predloženu metodu valjanost modela..U ovom radu, prethodno dobiveni teorijski i eksperimentalni rezultati koriste se za razvoj nove razvijene terapijske strategije.Konkretno, ovdje su izračunate predviđene veličine s odgovarajućim svojstvima evolucijske otpornosti, koje su stoga korištene za procjenu frekvencijskih raspona na koje su tumorske mase ugrađene u okolinu domaćina osjetljivije.U tu smo svrhu istražili dinamičko ponašanje tumorske mase u različitim stadijima, uzetih u različitim stadijima, uzimajući u obzir akustične pokazatelje u skladu s općeprihvaćenim načelom raspršenja kao odgovor na ultrazvučne podražaje i naglašavajući moguće rezonantne fenomene sferoida. .ovisno o tumoru i domaćinu Razlike u krutosti između tkiva ovisne o rastu.
Stoga su tumorske mase modelirane kao elastične kugle radijusa \(a\) u okolnom elastičnom okruženju domaćina na temelju eksperimentalnih podataka koji pokazuju kako glomazne maligne strukture rastu in situ u sfernim oblicima.Pozivajući se na sliku 1, korištenjem sfernih koordinata \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (gdje \(\theta\) i \(\varphi\) predstavljaju kut anomalije odnosno azimutni kut), domena tumora zauzima regiju ugrađenu u zdravi prostor \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) neograničenu regiju \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Pozivajući se na Dodatne informacije (SI) za potpuni opis matematičkog modela temeljenog na dobro utvrđenoj elastodinamičkoj osnovi objavljenoj u mnogim literaturama45,46,47,48, ovdje razmatramo problem koji karakterizira osnosimetrični način osciliranja.Ova pretpostavka implicira da su sve varijable unutar tumora i zdravih područja neovisne o azimutnoj koordinati \(\varphi\) i da u tom smjeru ne dolazi do izobličenja.Posljedično, polja pomaka i naprezanja mogu se dobiti iz dva skalarna potencijala \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) i \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , oni su povezano s longitudinalnim i posmičnim valom, vrijeme koincidencije t između vala \(\theta \) i kuta između smjera upadnog vala i vektora položaja \({\mathbf {x))\) ( kao što je prikazano na slici 1) i \(\omega = 2\pi f\) predstavlja kutnu frekvenciju.Konkretno, upadno polje je modelirano ravnim valom \(\phi_{H}^{(in)}\) (također uveden u SI sustav, u jednadžbi (A.9)) koji se širi u volumen tijela prema zakonskom izrazu
gdje je \(\phi_{0}\) parametar amplitude.Sferno širenje upadnog ravnog vala (1) korištenjem sferne valne funkcije standardni je argument:
Gdje je \(j_{n}\) sferna Besselova funkcija prve vrste reda \(n\), a \(P_{n}\) je Legendreov polinom.Dio upadnog vala investicijske sfere se raspršuje u okolnom mediju i preklapa upadno polje, dok se drugi dio raspršuje unutar sfere, pridonoseći njezinoj vibraciji.Da biste to učinili, harmonijska rješenja valne jednadžbe \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) i \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), na primjer Eringen45 (vidi također SI ) može ukazivati ​​na tumor i zdrava područja.Konkretno, valovi raspršene ekspanzije i izovolumski valovi generirani u mediju \(H\) dopuštaju svoje potencijalne energije:
Među njima, sferna Hankelova funkcija prve vrste \(h_{n}^{(1)}\) koristi se za razmatranje odlaznog raspršenog vala, a \(\alpha_{n}\) i \(\beta_{ n}\ ) su koeficijenti nepoznanica.u jednadžbi.U jednadžbama (2)–(4), pojmovi \(k_{H1}\) i \(k_{H2}\) označavaju valne brojeve razrijeđenosti i transverzalnih valova u glavnom području tijela, redom ( vidi SI).Kompresijska polja unutar tumora i pomaci imaju oblik
Gdje \(k_{T1}\) i \(k_{T2}\) predstavljaju longitudinalne i transverzalne valne brojeve u području tumora, a nepoznati koeficijenti su \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\), \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Na temelju ovih rezultata, komponente radijalnog i obodnog pomaka različite su od nule karakteristične za zdrava područja u problemu koji se razmatra, kao što su \(u_{Hr}\) i \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) pretpostavka o simetriji više nije potrebna) — može se dobiti iz relacije \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \desno) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) i \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \lijevo({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) formiranjem \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) i \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (vidi SI za detaljan matematički izvod).Slično, zamjena \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) i \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) vraća {Tr} = \partial_{r} \lijevo( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \desno) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) i \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\lijevo({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\desno)\).
(Lijevo) Geometrija sferičnog tumora izraslog u zdravom okruženju kroz koje se širi upadno polje, (desno) Odgovarajuća evolucija omjera krutosti tumora i domaćina kao funkcija radijusa tumora, prijavljeni podaci (prilagođeno iz Carotenuto et al. 41) iz in vitro testova kompresije dobivene su iz čvrstih tumora dojke inokuliranih stanicama MDA-MB-231.
Uz pretpostavku linearno elastičnih i izotropnih materijala, komponente naprezanja različite od nule u zdravim i tumorskim regijama, tj. \(\sigma_{Hpq}\) i \(\sigma_{Tpq}\) – pokoravaju se generaliziranom Hookeovom zakonu, s obzirom da postoji su različiti Laméovi moduli, koji karakteriziraju elastičnost domaćina i tumora, označeni kao \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) i \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (vidi jednadžbu (A.11) za puni izraz komponenti naprezanja predstavljenih u SI).Konkretno, prema podacima u referenci 41 i prikazanim na slici 1, rastući tumori pokazali su promjenu konstanti elastičnosti tkiva.Stoga su pomaci i naprezanja u područjima domaćina i tumora potpuno određeni do skupa nepoznatih konstanti \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) ima teoretski beskonačne dimenzije.Da bi se pronašli vektori koeficijenata, uvode se prikladna sučelja i granični uvjeti između tumora i zdravih područja.Pod pretpostavkom savršenog vezanja na sučelju tumor-domaćin \(r = a\), kontinuitet pomaka i naprezanja zahtijeva sljedeće uvjete:
Sustav (7) tvori sustav jednadžbi s beskonačnim rješenjima.Osim toga, svaki će rubni uvjet ovisiti o anomaliji \(\theta\).Smanjiti problem rubne vrijednosti na potpuni algebarski problem s \(N\) skupovima zatvorenih sustava, od kojih je svaki u nepoznatom \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (s \ ( N \ do \infty \), teoretski), i kako bi se eliminirala ovisnost jednadžbi o trigonometrijskim članovima, uvjeti sučelja napisani su u slabom obliku korištenjem ortogonalnosti Legendreovih polinoma.Konkretno, jednadžba (7)1,2 i (7)3,4 se množe s \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) i \(P_{n}^{ 1} \lijevo( { \cos\theta}\desno)\), a zatim integrirajte između \(0\) i \(\pi\) koristeći matematičke identitete:
Dakle, uvjet sučelja (7) vraća sustav kvadratnih algebarskih jednadžbi, koji se može izraziti u obliku matrice kao \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) i dobijte nepoznato \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) rješavanjem Cramerovog pravila.
Za procjenu toka energije raspršenog kuglom i dobivanje informacija o njezinom akustičkom odgovoru na temelju podataka o raspršenom polju koje se širi u mediju domaćinu, od interesa je akustična veličina, a to je normalizirani bistatički presjek raspršenja.Konkretno, presjek raspršenja, označen kao \(s), izražava omjer između akustične snage koju prenosi raspršeni signal i podjele energije koju nosi upadni val.U tom smislu, veličina funkcije oblika \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) često je korištena veličina u proučavanju akustičkih mehanizama ugrađen u tekućinu ili krutinu Raspršenost predmeta u sedimentu.Preciznije, amplituda funkcije oblika definirana je kao diferencijalni presjek raspršenja \(ds\) po jedinici površine, koji se razlikuje za normalu na smjer širenja upadnog vala:
gdje \(f_{n}^{pp}\) i \(f_{n}^{ps}\) označavaju modalnu funkciju, koja se odnosi na omjer snaga longitudinalnog vala i raspršenog vala u odnosu na incidentni P-val u prijemnom mediju dani su sljedećim izrazima:
Parcijalne valne funkcije (10) mogu se proučavati neovisno u skladu s teorijom rezonantnog raspršenja (RST)49, 50, 51, 52, koja omogućuje odvajanje ciljne elastičnosti od ukupnog polja rasipanja pri proučavanju različitih modova.Prema ovoj metodi, funkcija modalnog oblika može se rastaviti na zbroj dva jednaka dijela, naime \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) odnose se na rezonantne i nerezonantne pozadinske amplitude.Funkcija oblika rezonantnog moda povezana je s odzivom mete, dok je pozadina obično povezana s oblikom raspršivača.Za otkrivanje prvog formanta cilja za svaki način, amplituda funkcije oblika modalne rezonancije \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) izračunava se pod pretpostavkom tvrde pozadine koja se sastoji od neprobojnih kuglica u elastičnom materijalu domaćina.Ova hipoteza je motivirana činjenicom da se, općenito, i krutost i gustoća povećavaju s rastom tumorske mase zbog zaostalog tlačnog naprezanja.Stoga se na ozbiljnoj razini rasta očekuje da će omjer impedancije \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) biti veći od 1 za većinu makroskopskih solidnih tumora koji se razvijaju u mekim tkiva.Na primjer, Krouskop i sur.53 izvijestio je o omjeru kancerogenog i normalnog modula od oko 4 za tkivo prostate, dok se ta vrijednost povećala na 20 za uzorke tkiva dojke.Ovi odnosi neizbježno mijenjaju akustičnu impedanciju tkiva, kao što je također prikazano analizom elastografije54,55,56, i mogu biti povezani s lokaliziranim zadebljanjem tkiva uzrokovanim hiperproliferacijom tumora.Ta je razlika također primijećena eksperimentalno s jednostavnim testovima kompresije blokova tumora dojke uzgojenih u različitim stadijima32, a remodeliranje materijala može se dobro pratiti s prediktivnim međuvrstskim modelima nelinearno rastućih tumora43,44.Dobiveni podaci o krutosti izravno su povezani s evolucijom Youngovog modula solidnih tumora prema formuli \(E_{T} = S\lijevo( {1 – \nu ^{2} } \desno)/a\sqrt \ varepsilon\ )( kugle polumjera \(a\), krutosti \(S\) i Poissonovog omjera \(\nu\) između dvije krute ploče 57, kao što je prikazano na slici 1).Stoga je moguće dobiti mjerenja akustične impedancije tumora i domaćina na različitim razinama rasta.Konkretno, u usporedbi s modulom normalnog tkiva jednakim 2 kPa na slici 1, modul elastičnosti tumora dojke u rasponu volumena od oko 500 do 1250 mm3 rezultirao je povećanjem s oko 10 kPa na 16 kPa, što je u skladu s prijavljenim podacima.u referencama 58, 59 utvrđeno je da je tlak u uzorcima tkiva dojke 0,25–4 kPa s nestajanjem predkompresije.Također pretpostavite da je Poissonov omjer gotovo nestlačivog tkiva 41,60, što znači da se gustoća tkiva ne mijenja značajno s povećanjem volumena.Konkretno, koristi se prosječna masovna gustoća naseljenosti \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Uz ova razmatranja, krutost može poprimiti pozadinski način rada koristeći sljedeći izraz:
Gdje se nepoznata konstanta \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) može izračunati uzimajući u obzir kontinuitet bias ( 7 )2,4, odnosno rješavanjem algebarskog sustava \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) koji uključuje maloljetnike\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) i odgovarajući pojednostavljeni vektor stupca\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (a)\) Pruža osnovno znanje u jednadžbi (11), dvije amplitude rezonantne funkcije raspršenja \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \lijevo( \theta \right)} \desno|\) i \( \lijevo|{f_{n}^{{\lijevo( {res} \desno)\,ps} } \lijevo( \theta \right)} \right|= \lijevo|{f_{n}^{ps} \lijevo( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \lijevo( \ theta \right)} \right|\) odnosi se na ekscitaciju P-vala i refleksiju P- odnosno S-vala.Nadalje, prva amplituda je procijenjena kao \(\theta = \pi\), a druga amplituda je procijenjena kao \(\theta = \pi/4\).Učitavanjem raznih svojstava sastava.Slika 2 pokazuje da su rezonantne značajke tumorskih sferoida do oko 15 mm u promjeru uglavnom koncentrirane u frekvencijskom pojasu od 50-400 kHz, što ukazuje na mogućnost korištenja ultrazvuka niske frekvencije za induciranje rezonantne ekscitacije tumora.Stanice.Puno.U ovom frekvencijskom pojasu RST analiza otkrila je jednomodne formante za modove 1 do 6, istaknute na slici 3. Ovdje i pp- i ps-raspršeni valovi pokazuju formante prvog tipa, koji se pojavljuju na vrlo niskim frekvencijama, koje rastu od oko 20 kHz za mod 1 do oko 60 kHz za n = 6, ne pokazujući značajnu razliku u radijusu sfere.Rezonantna funkcija ps tada opada, dok kombinacija velikih amplituda pp formanata daje periodičnost od oko 60 kHz, pokazujući veći pomak frekvencije s povećanjem broja moda.Sve analize su provedene korištenjem računalnog softvera Mathematica®62.
Funkcije oblika povratnog raspršenja dobivene iz modula tumora dojke različitih veličina prikazane su na slici 1, gdje su istaknute trake najvećeg raspršenja uzimajući u obzir superpoziciju načina.
Rezonancije odabranih modova od \(n = 1\) do \(n = 6\), izračunate nakon ekscitacije i refleksije P-vala na različitim veličinama tumora (crne krivulje od \(\lijevo | {f_{ n} ^ {{\ lijevo( {res} \desno)\,pp}} \lijevo( \pi \desno)} \desno| = \lijevo| {f_{n}^{pp} \lijevo ( \pi \ desno) – f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) i ekscitacija P-vala i refleksija S-vala (sive krivulje dane funkcijom modalnog oblika \( \left | { f_{n }^{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = {f_{n} ^{ ps}. \lijevo( {\pi /4} \desno) – f_{n}^{ps(b)} \lijevo( {\pi /4} \desno)} \desno |\)).
Rezultati ove preliminarne analize korištenjem uvjeta širenja dalekog polja mogu voditi odabir pogonskih frekvencija specifičnih za pogon u sljedećim numeričkim simulacijama za proučavanje učinka mikrovibracijskog stresa na masu.Rezultati pokazuju da kalibracija optimalnih frekvencija može biti specifična za stadij tijekom rasta tumora i može se odrediti korištenjem rezultata modela rasta za uspostavljanje biomehaničkih strategija koje se koriste u terapiji bolesti za ispravno predviđanje remodeliranja tkiva.
Značajan napredak u nanotehnologiji potiče znanstvenu zajednicu na pronalaženje novih rješenja i metoda za razvoj minijaturiziranih i minimalno invazivnih medicinskih uređaja za in vivo primjene.U tom kontekstu, LOF tehnologija je pokazala izvanrednu sposobnost proširenja mogućnosti optičkih vlakana, omogućujući razvoj novih minimalno invazivnih optičkih uređaja za primjene u znanosti o životu21, 63, 64, 65. Ideja integracije 2D i 3D materijala sa željenim kemijskim, biološkim i optičkim svojstvima na stranama 25 i/ili na krajevima 64 optičkih vlakana s potpunom prostornom kontrolom na nanoskali dovodi do pojave nove klase nanooptoda od optičkih vlakana.ima širok raspon dijagnostičkih i terapijskih funkcija.Zanimljivo je da su optička vlakna zbog svojih geometrijskih i mehaničkih svojstava (mali presjek, veliki omjer stranica, fleksibilnost, mala težina) i biokompatibilnosti materijala (obično staklo ili polimeri) vrlo prikladna za umetanje u igle i katetere.Medicinske primjene20, utirući put novoj viziji „bolnice s iglom” (vidi sliku 4).
Zapravo, zbog stupnjeva slobode koje pruža LOF tehnologija, korištenjem integracije mikro- i nanostruktura izrađenih od različitih metalnih i/ili dielektričnih materijala, optička vlakna mogu se pravilno funkcionalizirati za specifične primjene koje često podržavaju pobudu rezonantnog načina.Svjetlosno polje 21 je snažno postavljeno.Zadržavanje svjetlosti na skali podvalne duljine, često u kombinaciji s kemijskom i/ili biološkom obradom63 i integracijom osjetljivih materijala kao što su pametni polimeri65,66 može poboljšati kontrolu nad interakcijom svjetlosti i materije, što može biti korisno u teranostičke svrhe.Odabir vrste i veličine integriranih komponenti/materijala očito ovisi o fizičkim, biološkim ili kemijskim parametrima koji se trebaju detektirati21,63.
Integracija LOF sondi u medicinske igle usmjerene na određena mjesta u tijelu omogućit će lokalne biopsije tekućine i tkiva in vivo, omogućujući istovremeno lokalno liječenje, smanjujući nuspojave i povećavajući učinkovitost.Potencijalne mogućnosti uključuju otkrivanje raznih cirkulirajućih biomolekula, uključujući rak.biomarkeri ili mikroRNA (miRNA)67, identifikacija kancerogenih tkiva pomoću linearne i nelinearne spektroskopije kao što je Ramanova spektroskopija (SERS)31, fotoakustična slika visoke rezolucije22,28,68, laserska kirurgija i ablacija69, te lokalna isporuka lijekova pomoću svjetla27 i automatsko vođenje igle u ljudsko tijelo20.Vrijedno je napomenuti da iako se korištenjem optičkih vlakana izbjegavaju tipični nedostaci "klasičnih" metoda temeljenih na elektroničkim komponentama, kao što su potreba za električnim vezama i prisutnost elektromagnetskih smetnji, to omogućuje učinkovitu integraciju različitih LOF senzora u sustav.jedna medicinska igla.Posebnu pozornost treba posvetiti smanjenju štetnih učinaka kao što su onečišćenje, optičke smetnje, fizičke prepreke koje uzrokuju učinke preslušavanja između različitih funkcija.No, također je istina da mnoge od spomenutih funkcija ne moraju biti aktivne u isto vrijeme.Ovaj aspekt omogućuje barem smanjenje smetnji, čime se ograničava negativan utjecaj na izvedbu svake sonde i točnost postupka.Ova razmatranja omogućuju nam da na koncept "igle u bolnici" gledamo kao na jednostavnu viziju za postavljanje čvrstih temelja za sljedeću generaciju terapeutskih igala u znanostima o životu.
S obzirom na specifičnu primjenu o kojoj se raspravlja u ovom radu, u sljedećem odjeljku numerički ćemo istražiti sposobnost medicinske igle da usmjeri ultrazvučne valove u ljudska tkiva koristeći njihovo širenje duž svoje osi.
Širenje ultrazvučnih valova kroz medicinsku iglu napunjenu vodom i umetnutu u meka tkiva (vidi dijagram na slici 5a) modelirano je pomoću komercijalnog softvera Comsol Multiphysics koji se temelji na metodi konačnih elemenata (FEM)70, gdje se igla i tkivo modeliraju kao linearno elastično okruženje.
Pozivajući se na sliku 5b, igla je modelirana kao šuplji cilindar (također poznat kao "kanila") izrađen od nehrđajućeg čelika, standardnog materijala za medicinske igle71.Konkretno, modeliran je s Youngovim modulom E = 205 GPa, Poissonovim omjerom ν = 0,28 i gustoćom ρ = 7850 kg m −372,73.Geometrijski gledano, igla je karakterizirana duljinom L, unutarnjim promjerom D (također se naziva "zračnost") i debljinom stijenke t.Osim toga, smatra se da je vrh igle nagnut pod kutom α u odnosu na uzdužni smjer (z).Volumen vode u biti odgovara obliku unutarnjeg područja igle.U ovoj preliminarnoj analizi, pretpostavljeno je da je igla potpuno uronjena u područje tkiva (za koje se pretpostavlja da se proteže beskonačno), modelirano kao kugla radijusa rs, koji je ostao konstantan na 85 mm tijekom svih simulacija.Detaljnije, sferično područje završavamo savršeno usklađenim slojem (PML), koji barem smanjuje neželjene valove reflektirane od "zamišljenih" granica.Zatim smo odabrali radijus rs tako da granicu sferne domene postavimo dovoljno daleko od igle da ne utječe na računsko rješenje i dovoljno malo da ne utječe na računsku cijenu simulacije.
Harmonijski uzdužni pomak frekvencije f i amplitude A primjenjuje se na donju granicu geometrije igle;ova situacija predstavlja ulazni poticaj primijenjen na simuliranu geometriju.Na preostalim granicama igle (u kontaktu s tkivom i vodom) smatra se da prihvaćeni model uključuje odnos između dva fizikalna fenomena, od kojih je jedan vezan za strukturnu mehaniku (za područje igle), a drugi na strukturnu mehaniku.(za igličasto područje), pa se za akustiku nameću odgovarajući uvjeti (za vodu i igličasto područje)74.Konkretno, male vibracije primijenjene na sjedište igle uzrokuju male poremećaje napona;dakle, uz pretpostavku da se igla ponaša kao elastični medij, vektor pomaka U može se procijeniti iz jednadžbe elastodinamičke ravnoteže (Navier)75.Strukturne oscilacije igle uzrokuju promjene tlaka vode unutar nje (koji se u našem modelu smatra stacionarnim), uslijed čega se zvučni valovi šire u uzdužnom smjeru igle, u biti poštujući Helmholtzovu jednadžbu76.Konačno, pod pretpostavkom da su nelinearni učinci u tkivima zanemarivi i da je amplituda smičnih valova mnogo manja od amplitude tlačnih valova, Helmholtzova se jednadžba također može koristiti za modeliranje širenja akustičnih valova u mekim tkivima.Nakon ove aproksimacije, tkivo se smatra tekućinom77 s gustoćom od 1000 kg/m3 i brzinom zvuka od 1540 m/s (zanemarujući učinke prigušenja ovisne o frekvenciji).Za povezivanje ova dva fizikalna polja potrebno je osigurati kontinuitet normalnog gibanja na granici krutine i tekućine, statičku ravnotežu između tlaka i naprezanja okomito na granicu krutine, te tangencijalno naprezanje na granici krutine. tekućina mora biti jednaka nuli.75 .
U našoj analizi istražujemo širenje akustičnih valova duž igle u stacionarnim uvjetima, fokusirajući se na utjecaj geometrije igle na emisiju valova unutar tkiva.Konkretno, istražili smo utjecaj unutarnjeg promjera igle D, duljine L i kuta skošenja α, držeći debljinu t fiksnom na 500 µm za sve proučavane slučajeve.Ova vrijednost t je blizu tipične standardne debljine stijenke 71 za komercijalne igle.
Bez gubitka općenitosti, frekvencija f harmonijskog pomaka primijenjenog na bazu igle uzeta je jednaka 100 kHz, a amplituda A je bila 1 μm.Konkretno, frekvencija je postavljena na 100 kHz, što je u skladu s analitičkim procjenama danim u odjeljku "Analiza raspršenja sfernih tumorskih masa za procjenu ultrazvučnih frekvencija ovisnih o rastu", gdje je pronađeno ponašanje tumorskih masa slično rezonanciji u frekvencijski raspon od 50-400 kHz, s najvećom amplitudom raspršenja koncentriranom na nižim frekvencijama oko 100-200 kHz (vidi sliku 2).
Prvi ispitivani parametar bio je unutarnji promjer D igle.Radi praktičnosti, definira se kao cijeli broj duljine akustičnog vala u šupljini igle (tj. u vodi λW = 1,5 mm).Doista, pojave širenja valova u uređajima karakteriziranim određenom geometrijom (na primjer, u valovodu) često ovise o karakterističnoj veličini korištene geometrije u usporedbi s valnom duljinom vala koji se širi.Osim toga, u prvoj analizi, kako bismo bolje naglasili utjecaj promjera D na širenje akustičnog vala kroz iglu, razmatrali smo ravni vrh, postavljajući kut α = 90°.Tijekom ove analize duljina igle L bila je fiksirana na 70 mm.
Na sl.Slika 6a prikazuje prosječni intenzitet zvuka kao funkciju bezdimenzionalnog parametra ljestvice SD, tj. D = λW/SD procijenjenog u kugli polumjera 10 mm sa središtem na odgovarajućem vrhu igle.Parametar skaliranja SD mijenja se od 2 do 6, tj. uzimamo u obzir D vrijednosti u rasponu od 7,5 mm do 2,5 mm (pri f = 100 kHz).Raspon također uključuje standardnu ​​vrijednost od 71 za medicinske igle od nehrđajućeg čelika.Kao što je i očekivano, unutarnji promjer igle utječe na intenzitet zvuka koji emitira igla, s maksimalnom vrijednošću (1030 W/m2) koja odgovara D = λW/3 (tj. D = 5 mm) i trendom pada sa smanjenjem promjer.Treba uzeti u obzir da je promjer D geometrijski parametar koji također utječe na invazivnost medicinskog proizvoda, pa se ovaj kritični aspekt ne može zanemariti pri odabiru optimalne vrijednosti.Dakle, iako do smanjenja D dolazi zbog slabijeg prijenosa akustičnog intenziteta u tkivima, za sljedeća istraživanja promjer D = λW/5, tj. D = 3 mm (odgovara standardu 11G71 na f = 100 kHz) , smatra se razumnim kompromisom između intruzivnosti uređaja i prijenosa intenziteta zvuka (prosječno oko 450 W/m2).
Prosječni intenzitet zvuka koji emitira vrh igle (smatra se ravnim), ovisno o unutarnjem promjeru igle (a), duljini (b) i kutu skošenja α (c).Duljina u (a, c) je 90 mm, a promjer u (b, c) je 3 mm.
Sljedeći parametar koji treba analizirati je duljina igle L. Kao u prethodnoj studiji slučaja, razmatramo kosi kut α = 90°, a duljina je skalirana kao višekratnik valne duljine u vodi, tj. smatramo L = SL λW .Parametar bezdimenzionalnog mjerila SL mijenja se od 3 do 7, čime se procjenjuje prosječni intenzitet zvuka koji emitira vrh igle u rasponu duljina od 4,5 do 10,5 mm.Ovaj raspon uključuje tipične vrijednosti za komercijalne igle.Rezultati su prikazani na sl.6b, koji pokazuje da duljina igle, L, ima veliki utjecaj na prijenos intenziteta zvuka u tkivima.Konkretno, optimizacija ovog parametra omogućila je poboljšanje prijenosa za otprilike jedan red veličine.Zapravo, u analiziranom rasponu duljina, prosječni intenzitet zvuka poprima lokalni maksimum od 3116 W/m2 na SL = 4 (tj. L = 60 mm), a drugi odgovara SL = 6 (tj. L = 90 mm). mm).
Nakon analize utjecaja promjera i duljine igle na širenje ultrazvuka u cilindričnoj geometriji, usredotočili smo se na utjecaj kuta skošenja na prijenos intenziteta zvuka u tkivima.Prosječni intenzitet zvuka koji izlazi iz vrha vlakna procijenjen je kao funkcija kuta α, mijenjajući svoju vrijednost od 10° (oštar vrh) do 90° (ravan vrh).U ovom slučaju polumjer integrirajuće sfere oko razmatranog vrha igle bio je 20 mm, tako da je za sve vrijednosti α vrh igle bio uključen u volumen izračunat iz prosjeka.
Kao što je prikazano na sl.6c, kada se vrh zaoštri, tj. kada se α smanjuje počevši od 90°, intenzitet emitiranog zvuka raste, dostižući maksimalnu vrijednost od oko 1,5 × 105 W/m2, što odgovara α = 50°, tj. 2 je red veličine veći u odnosu na ravno stanje.S daljnjim oštrenjem vrha (tj., na α ispod 50°), intenzitet zvuka ima tendenciju smanjenja, dostižući vrijednosti usporedive sa spljoštenim vrhom.Međutim, iako smo uzeli u obzir širok raspon kutova zakošenja za naše simulacije, vrijedi uzeti u obzir da je oštrenje vrha neophodno kako bi se olakšalo umetanje igle u tkivo.Zapravo, manji kut skošenja (oko 10°) može smanjiti silu 78 potrebnu za prodiranje u tkivo.
Osim vrijednosti intenziteta zvuka koji se prenosi unutar tkiva, kut skošenja također utječe na smjer širenja valova, kao što je prikazano na grafovima razine zvučnog tlaka prikazanim na sl. 7a (za ravni vrh) i 3b (za 10° ).skošeni vrh), paralelno. Uzdužni smjer se procjenjuje u ravnini simetrije (yz, usp. sl. 5).U krajnostima ova dva razmatranja, razina zvučnog tlaka (označena kao 1 µPa) uglavnom je koncentrirana unutar šupljine igle (tj. u vodi) i zrači u tkivo.Detaljnije, u slučaju ravnog vrha (sl. 7a), raspodjela razine zvučnog tlaka savršeno je simetrična u odnosu na uzdužni smjer, au vodi koja ispunjava tijelo mogu se razlikovati stojni valovi.Val je usmjeren uzdužno (z-os), amplituda doseže najveću vrijednost u vodi (oko 240 dB) i opada poprečno, što dovodi do slabljenja od oko 20 dB na udaljenosti od 10 mm od središta igle.Kao što je i očekivano, uvođenje šiljastog vrha (sl. 7b) narušava tu simetriju, a antinodi stojnih valova se "skreću" prema vrhu igle.Očigledno, ova asimetrija utječe na intenzitet zračenja vrha igle, kao što je ranije opisano (slika 6c).Kako bi se bolje razumio ovaj aspekt, akustični intenzitet je procijenjen duž linije reza okomito na uzdužni smjer igle, koja se nalazila u ravnini simetrije igle i nalazila se na udaljenosti od 10 mm od vrha igle ( rezultira na slici 7c).Točnije, distribucije intenziteta zvuka procijenjene pod kosim kutovima od 10°, 20° i 30° (plave, crvene i zelene pune linije) uspoređene su s distribucijom blizu ravnog kraja (crne točkaste krivulje).Čini se da je distribucija intenziteta povezana s iglama s ravnim vrhom simetrična u odnosu na središte igle.Konkretno, poprima vrijednost od oko 1420 W/m2 u središtu, preljev od oko 300 W/m2 na udaljenosti od ~8 mm, a zatim se smanjuje na vrijednost od oko 170 W/m2 na ~30 mm .Kako vrh postaje šiljast, središnji režanj se dijeli na više režnjeva različitog intenziteta.Točnije, kada je α bio 30°, tri latice su se mogle jasno razlikovati u profilu mjerenom na 1 mm od vrha igle.Središnja je gotovo u središtu igle i ima procijenjenu vrijednost od 1850 W / m2, a viša s desne strane je oko 19 mm od središta i doseže 2625 W / m2.Na α = 20° postoje 2 glavna režnja: jedan po −12 mm pri 1785 W/m2 i jedan po 14 mm pri 1524 W/m2.Kada vrh postane oštriji i kut dosegne 10°, maksimum od 817 W/m2 postiže se na oko -20 mm, a duž profila su vidljiva još tri režnja nešto manjeg intenziteta.
Razina zvučnog tlaka u ravnini simetrije y–z igle s ravnim krajem (a) i kosom od 10° (b).(c) Raspodjela akustičnog intenziteta procijenjena duž linije reza okomito na uzdužni smjer igle, na udaljenosti od 10 mm od vrha igle i leži u ravnini simetrije yz.Duljina L je 70 mm, a promjer D 3 mm.
Uzeti zajedno, ovi rezultati pokazuju da se medicinske igle mogu učinkovito koristiti za prijenos ultrazvuka na 100 kHz u meko tkivo.Intenzitet emitiranog zvuka ovisi o geometriji igle i može se optimizirati (podložno ograničenjima koja nameće invazivnost krajnjeg uređaja) do vrijednosti u rasponu od 1000 W/m2 (na 10 mm).nanesena na dno igle 1. U slučaju mikrometarskog pomaka, smatra se da je igla potpuno umetnuta u beskonačno prošireno meko tkivo.Konkretno, kut skošenja snažno utječe na intenzitet i smjer širenja zvučnih valova u tkivu, što prvenstveno dovodi do ortogonalnosti reza vrha igle.
Kako bi se podržao razvoj novih strategija liječenja tumora temeljenih na korištenju neinvazivnih medicinskih tehnika, širenje ultrazvuka niske frekvencije u okruženju tumora analizirano je analitički i računalno.Konkretno, u prvom dijelu studije, privremeno elastodinamičko rješenje omogućilo nam je proučavanje raspršenja ultrazvučnih valova u čvrstim tumorskim sferoidima poznate veličine i krutosti kako bismo proučili frekvencijsku osjetljivost mase.Zatim su odabrane frekvencije reda veličine stotina kiloherca, a lokalna primjena vibracijskog stresa u okruženju tumora pomoću pogona medicinske igle modelirana je u numeričkoj simulaciji proučavanjem utjecaja glavnih parametara dizajna koji određuju prijenos akustičnog snagu instrumenta na okoliš.Rezultati pokazuju da se medicinske igle mogu učinkovito koristiti za zračenje tkiva ultrazvukom, a njegov intenzitet je usko povezan s geometrijskim parametrom igle, koji se naziva radna akustična valna duljina.Zapravo, intenzitet zračenja kroz tkivo raste s povećanjem unutarnjeg promjera igle, dostižući maksimum kada je promjer tri puta veći od valne duljine.Duljina igle također pruža određeni stupanj slobode za optimizaciju ekspozicije.Potonji rezultat je doista maksimiziran kada je duljina igle postavljena na određeni višekratnik radne valne duljine (točnije 4 i 6).Zanimljivo, za frekvencijski raspon od interesa, optimizirane vrijednosti promjera i duljine bliske su onima koje se obično koriste za standardne komercijalne igle.Kut skošenja, koji određuje oštrinu igle, također utječe na emisivnost, dostižući vrhunac na oko 50° i pružajući dobru izvedbu na oko 10°, što se obično koristi za komercijalne igle..Rezultati simulacije koristit će se za usmjeravanje implementacije i optimizacije bolničke intraneedle dijagnostičke platforme, integraciju dijagnostičkog i terapijskog ultrazvuka s drugim terapijskim rješenjima unutar uređaja i ostvarivanje suradničkih intervencija precizne medicine.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. i Kopp MV Što je precizna medicina?Eur, strano.časopis 50, 1700391 (2017).
Collins, FS i Varmus, H. Nove inicijative u preciznoj medicini.N. inž.J. Medicina.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK i Wang, MD.Biomedicinska slikovna informatika u eri precizne medicine: postignuća, izazovi i mogućnosti.Pekmez.lijek.obavijestiti.Docent.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precizna onkologija: pregled.J. klinički.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., i Salem, A. Poboljšanje terapije glioblastoma (GBM) korištenjem sustava isporuke temeljenog na nanočesticama.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G i von Daimling A. Glioblastoma: patologija, molekularni mehanizmi i markeri.Acta neuropatologija.129(6), 829-848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM i Berger, MS Trenutne i buduće strategije za liječenje glioma.neurokirurgija.ur.40, 1–14 (2017).