Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (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.Koristite dugmad za nazad i sledeće da se krećete kroz slajdove ili dugmad kontrolora slajdova na kraju za kretanje kroz svaki slajd.
Nedavno je pokazano da upotreba ultrazvuka može poboljšati prinos tkiva u ultrazvučno poboljšanoj aspiracijskoj biopsiji finom iglom (USeFNAB) u usporedbi s konvencionalnom aspiracijskom biopsijom fine igle (FNAB).Odnos između geometrije igle i djelovanja vrha igle još nije istražen.U ovoj studiji smo istraživali svojstva rezonancije igle i amplitude otklona za različite geometrije igle s različitim dužinama igle.Koristeći konvencionalnu lancetu sa rezom od 3,9 mm, faktor snage otklona vrha (DPR) bio je 220 i 105 µm/W u zraku i vodi, respektivno.Ovo je više od ososimetričnog vrha sa kosom od 4 mm, koji je postigao DPR od 180 i 80 µm/W u vazduhu i vodi, respektivno.Ova studija naglašava važnost odnosa između krutosti na savijanje geometrije kosine u kontekstu različitih pomagala za umetanje, te stoga može pružiti uvid u metode kontrole reznog djelovanja nakon uboda promjenom geometrije kosine igle, što je važno za USeFNAB.Primjena je bitna.
Aspiraciona biopsija finom iglom (FNAB) je tehnika u kojoj se igla koristi za uzimanje uzorka tkiva kada se sumnja na abnormalnost1,2,3.Pokazalo se da vrhovi tipa Franseen pružaju veće dijagnostičke performanse od tradicionalnih vrhova Lancet4 i Menghini5.Ososimetrične (tj. obodne) kosine su također predložene kako bi se povećala vjerovatnoća adekvatnog uzorka za histopatologiju6.
Tokom biopsije, igla se provlači kroz slojeve kože i tkiva kako bi se otkrila sumnjiva patologija.Nedavne studije su pokazale da ultrazvučna aktivacija može smanjiti silu uboda potrebnu za pristup mekim tkivima7,8,9,10.Pokazalo se da geometrija ukošene igle utiče na sile interakcije igle, npr. pokazalo se da duži kosi imaju niže sile penetracije u tkivo 11 .Pretpostavlja se da nakon što igla prodre u površinu tkiva, odnosno nakon punkcije, sila rezanja igle može iznositi 75% ukupne sile interakcije igle i tkiva12.Pokazalo se da ultrazvuk (US) poboljšava kvalitetu dijagnostičke biopsije mekog tkiva u fazi nakon punkcije13.Druge metode za poboljšanje kvaliteta biopsije kosti razvijene su za uzorkovanje tvrdog tkiva14,15, ali nisu prijavljeni rezultati koji bi poboljšali kvalitet biopsije.Nekoliko studija je također otkrilo da se mehanički pomak povećava s povećanjem napona ultrazvučnog pogona16,17,18.Iako postoje mnoge studije aksijalnih (longitudinalnih) statičkih sila u interakcijama igle i tkiva19,20, studije o vremenskoj dinamici i geometriji kosine igle u ultrazvučno poboljšanom FNAB (USeFNAB) su ograničene.
Cilj ovog istraživanja bio je istražiti utjecaj različitih geometrija igle na djelovanje vrha igle uzrokovano savijanjem igle na ultrazvučnim frekvencijama.Konkretno, istražili smo učinak medija za ubrizgavanje na otklon vrha igle nakon uboda za konvencionalne kosine igle (npr. lancete), osimetrične i asimetrične geometrije s jednim kosom (sl. kako bi se olakšao razvoj USeFNAB igala za različite svrhe kao što je selektivno usisavanje pristup ili jezgra mekog tkiva.
U ovu studiju uključene su različite geometrije kosina.(a) Lanceti u skladu sa ISO 7864:201636 gdje je \(\alpha\) primarni ugao kosine, \(\theta\) je sekundarni ugao rotacije kosine, a \(\phi\) je sekundarni ugao rotacije kosine u stepeni , u stepenima (\(^\circ\)).(b) linearne asimetrične jednostepene ivice (nazvane "standardnim" u DIN 13097:201937) i (c) linearne osimetrične (obodne) jednostepene ivice.
Naš pristup je da prvo modeliramo promjenu talasne dužine savijanja duž nagiba za konvencionalne lancete, osi simetrične i asimetrične jednostepene geometrije nagiba.Zatim smo izračunali parametarsku studiju kako bismo ispitali uticaj ugla kosine i dužine cevi na pokretljivost transportnog mehanizma.Ovo se radi kako bi se odredila optimalna dužina za izradu prototipa igle.Na osnovu simulacije napravljeni su prototipovi igle i eksperimentalno je okarakterisano njihovo rezonantno ponašanje u vazduhu, vodi i 10% (w/v) balističkom želatinu, merenjem koeficijenta refleksije napona i izračunavanjem efikasnosti prenosa snage iz koje je radna frekvencija odlučan..Konačno, snimanje velikom brzinom se koristi za direktno mjerenje otklona vala savijanja na vrhu igle u zraku i vodi, te za procjenu električne energije koja se prenosi svakim nagibom i geometrije faktora snage otklona (DPR) ubrizganog srednje.
Kao što je prikazano na slici 2a, koristite cijev br. 21 (0,80 mm vanjski, 0,49 mm ID, 0,155 mm debljina stijenke cijevi, standardni zid prema ISO 9626:201621) od nehrđajućeg čelika 316 (Youngov modul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), gustina 8070 kg/m\(^{3}\), Poissonov odnos 0,275).
Određivanje talasne dužine savijanja i podešavanje modela konačnih elemenata (FEM) igle i granični uslovi.(a) Određivanje dužine kosine (BL) i dužine cijevi (TL).(b) Trodimenzionalni (3D) model konačnih elemenata (FEM) koji koristi silu harmonijske tačke \(\tilde{F}_y\vec{j}\) da potakne iglu na proksimalnom kraju, skrene tačku i izmjeri brzinu po vrhu (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) za izračunavanje mehaničke transportne mobilnosti.\(\lambda _y\) se definiše kao talasna dužina savijanja povezana sa vertikalnom silom \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Odredite centar gravitacije, površinu poprečnog presjeka A i momente inercije \(I_{xx}\) i \(I_{yy}\) oko x-ose, odnosno y-ose.
Kao što je prikazano na sl.2b,c, za beskonačan (beskonačan) snop sa površinom poprečnog presjeka A i na velikoj talasnoj dužini u poređenju sa veličinom poprečnog preseka snopa, fazna brzina savijanja (ili savijanja) \(c_{EI}\ ) je definiran kao 22:
gdje je E Youngov modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je ugaona frekvencija pobude (rad/s), gdje je \( f_0 \ ) je linearna frekvencija (1/s ili Hz), I je moment inercije područja oko ose od interesa \((\text {m}^{4})\) i \(m'=\ rho _0 A \) je masa na jediničnu dužinu (kg/m), gdje je \(\rho _0\) gustina \((\text {kg/m}^{3})\) i A je krst -površina presjeka grede (xy ravan) (\ (\text {m}^{2}\)).Budući da je u našem slučaju primijenjena sila paralelna vertikalnoj y-osi, tj. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zanima nas samo moment inercije površine oko horizontalne x- osa, tj. \(I_{xx} \), zato:
Za model konačnih elemenata (MKE), pretpostavlja se čisti harmonijski pomak (m), pa je ubrzanje (\(\text {m/s}^{2}\)) izraženo kao \(\djelomično ^2 \vec { u}/ \ parcijalni t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), npr. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) je trodimenzionalni vektor pomaka definisan u prostornim koordinatama.Zamjena potonjeg sa konačno deformabilnim Lagranžijevim oblikom zakona ravnoteže momenta23, prema njegovoj implementaciji u softverskom paketu COMSOL Multiphysics (verzije 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, SAD), daje:
Gdje \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je operator divergencije tenzora, a \({\underline{\sigma}}\) je drugi Piola-Kirchhoff tenzor napona (drugi red, \(\ tekst { N /m}^{2}\)), 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 tjelesna sila, ima fazni ugao \(\ phi\) (rad).U našem slučaju, zapreminska sila tijela je nula, a naš model pretpostavlja geometrijsku linearnost i male čisto elastične deformacije, tj. \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), gdje je \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) i \({\underline{ \varepsilon}}\) – elastična deformacija i ukupna deformacija (bez dimenzija drugog reda), respektivno.Hookeov konstitutivni izotropni tenzor elastičnosti \(\underline {\underline {C))\) dobija se korištenjem Youngovog modula E(\(\text{N/m}^{2}\)) i definira se Poissonov omjer v, tako da \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (četvrti red).Dakle, proračun napona postaje \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Proračuni su izvedeni sa 10-čvornim tetraedarskim elementima veličine elementa \(\le\) 8 µm.Igla je modelirana u vakuumu, a vrijednost prijenosa mehaničke pokretljivosti (ms-1 H-1) je definirana 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, i \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) je složena pokretačka sila koja se nalazi na proksimalnom kraju cijevi, kao što je prikazano na slici 2b.Transmisivna mehanička pokretljivost izražena je u decibelima (dB) koristeći maksimalnu vrijednost kao referencu, tj. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Sve FEM studije su sprovedene na frekvenciji od 29,75 kHz.
Dizajn igle (slika 3) sastoji se od konvencionalne hipodermične igle 21 kalibra (kataloški broj: 4665643, Sterican\(^\circledR\), vanjskog prečnika 0,8 mm, dužine 120 mm, izrađene od AISI hrom-nikl nerđajući čelik 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Nemačka) postavljena je plastična Luer Lock čaura od polipropilena proksimalno sa odgovarajućom modifikacijom vrha.Igličasta cijev je zalemljena na valovod kao što je prikazano na slici 3b.Talasovod je odštampan na 3D štampaču od nerđajućeg čelika (EOS Stainless Steel 316L na EOS M 290 3D štampaču, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finska), a zatim pričvršćen na Langevin senzor pomoću M4 vijaka.Langevinov pretvarač se sastoji od 8 piezoelektričnih prstenastih elemenata sa dva utega na svakom kraju.
Četiri tipa vrhova (na slici), komercijalno dostupna lanceta (L) i tri proizvedena jednostepena ososimetrična kosina (AX1–3) karakterizirane su dužinama kosina (BL) od 4, 1,2 i 0,5 mm, respektivno.(a) Krupni plan gotovog vrha igle.(b) Pogled odozgo na četiri igle zalemljene na 3D štampani talasovod i zatim spojene na Langevin senzor pomoću M4 vijaka.
Proizvedena su tri osnosimetrična vrha zakošene kose (Sl. 3) (TAs Machine Tools Oy) sa dužinama kosina (BL, određene na slici 2a) od 4,0, 1,2 i 0,5 mm, što odgovara \(\približno\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) i 18\(^\circ\).Težina talasovoda i olovke je 3,4 ± 0,017 g (srednja vrijednost ± SD, n = 4) za kosinu L i AX1–3, respektivno (Quintix\(^\circledR\) 224 Dizajn 2, Sartorius AG, Göttingen, Njemačka) .Ukupna dužina od vrha igle do kraja plastične čahure je 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm za kosinu L i AX1-3 na slici 3b, respektivno.
Za sve konfiguracije igle, dužina od vrha igle do vrha talasovoda (tj. površina lemljenja) je 4,3 cm, a cijev igle je orijentirana tako da je kosina okrenuta prema gore (tj. paralelno s Y osom ).), kao na (slika 2).
Prilagođena skripta u MATLAB-u (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, SAD) koja radi na računaru (Latitude 7490, Dell Inc., Teksas, SAD) korištena je za generiranje linearnog sinusoidalnog sweep-a od 25 do 35 kHz za 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) je zatim pojačan namenskim pojačalom za radio frekvenciju (RF) (Mariachi Oy, Turku, Finska).Padajući napon pojačanja \({V_I}\) izlazi iz RF pojačivača sa izlaznom impedansom od 50 \(\Omega\) na transformator ugrađen u strukturu igle sa ulaznom impedansom od 50 \(\Omega)\) Langevinovi pretvarači (prednji i stražnji višeslojni piezoelektrični pretvarači, opterećeni masom) se koriste za generiranje mehaničkih valova.Prilagođeno RF pojačalo opremljeno je dvokanalnim mjeračem faktora snage stojećeg talasa (SWR) koji može detektirati incident \({V_I}\) i reflektirani pojačani napon \(V_R\) kroz analogno-digitalni od 300 kHz (AD ) pretvarač (Analog Discovery 2).Pobudni signal je amplitudno moduliran na početku i na kraju kako bi se spriječilo preopterećenje ulaza pojačala tranzijentima.
Koristeći prilagođenu skriptu implementiranu u MATLAB-u, funkcija frekvencijskog odziva (AFC), tj. pretpostavlja linearni stacionarni sistem.Također, primijenite propusni filter od 20 do 40 kHz da biste uklonili sve neželjene frekvencije iz signala.Pozivajući se na teoriju dalekovoda, \(\tilde{H}(f)\) je u ovom slučaju ekvivalentno koeficijentu refleksije napona, tj. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Budući da izlazna impedansa pojačala \(Z_0\) odgovara ulaznoj impedansi ugrađenog transformatora pretvarača, a koeficijent refleksije električne snage \({P_R}/{P_I}\) se smanjuje na \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), tada je \(|\rho _{V}|^2\).U slučaju kada je potrebna apsolutna vrijednost električne snage, izračunajte upadnu \(P_I\) i reflektovanu\(P_R\) snagu (W) uzimajući srednju kvadratnu vrijednost (rms) 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 na opterećenje \(P_T\) (tj. umetnuti medij) može se izračunati kao \(|P_I – P_R |\) (W RMS), a efikasnost prijenosa energije (PTE) može se definirati i izraziti kao procenat (%) dakle daje 27:
Frekvencijski odziv se zatim koristi za procjenu modalnih frekvencija \(f_{1-3}\) (kHz) dizajna olovke i odgovarajuće efikasnosti prijenosa energije, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM_{1{-}3}\), Hz) se procjenjuje direktno iz \(\text {PTE}_{1{-}3}\), iz tabele 1 frekvencije \(f_{1-3}\) opisane u .
Metoda za mjerenje frekvencijskog odziva (AFC) acikularne strukture.Dvokanalno mjerenje sinusnog swept-a25,38 se koristi za dobivanje funkcije frekvencijskog odziva \(\tilde{H}(f)\) i njenog impulsnog odziva H(t).\({\mathcal {F}}\) i \({\mathcal {F}}^{-1}\) označavaju numeričku skraćenu Fourierovu transformaciju i operaciju inverzne transformacije, respektivno.\(\tilde{G}(f)\) znači da se dva signala množe u frekvencijskom domenu, 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 objektivom (MP-E 65 mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokio, Japan) korišteni su za snimanje otklona vrha igle podvrgnutog savijanju (jedna frekvencija, kontinuirana sinusoida) na frekvenciji od 27,5–30 kHz.Da bi se napravila mapa sjena, hlađeni element bijele LED diode visokog intenziteta (broj dijela: 4052899910881, Bijeli LED, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Njemačka) postavljen je iza kosine igle.
Pogled sprijeda na eksperimentalnu postavu.Dubina se mjeri od površine medija.Struktura igle je stegnuta i montirana na motorizovani prenosni sto.Koristite kameru velike brzine sa objektivom sa velikim uvećanjem (5\(\puta\)) za mjerenje otklona zakošenog vrha.Sve dimenzije su u milimetrima.
Za svaki tip kosine igle, snimili smo 300 brzih okvira kamere od 128 \(\x\) 128 piksela, svaki sa prostornom rezolucijom od 1/180 mm (\(\približno) 5 µm), s vremenskom rezolucijom od 310.000 sličica u sekundi.Kao što je prikazano na slici 6, svaki okvir (1) se izrezuje (2) tako da se vrh nalazi u zadnjoj liniji (dole) okvira, a zatim se izračunava histogram slike (3), tako da Canny postavlja pragove 1 i 2 se može odrediti.Zatim primijenite detekciju rubova Canny28(4) koristeći Sobel operator 3 \(\times\) 3 i izračunajte poziciju piksela nekavitacijske hipotenuze (označene \(\mathbf {\times }\)) za sve korake od 300 puta .Da bi se odredio raspon otklona na kraju, izračunava se derivacija (koristeći algoritam centralne razlike) (6) i identificira se okvir koji sadrži lokalne ekstreme (tj. vrh) skretanja (7).Nakon vizuelnog pregleda nekavitirajuće ivice, odabran je par okvira (ili dva okvira razdvojena pola vremenskog perioda) (7) i izmjeren je otklon vrha (označen \(\mathbf {\times} \ ) Gore navedeno je implementirano u Python-u (v3.8, Python Software Foundation, python.org) koristeći OpenCV Canny algoritam za detekciju rubova (v4.5.1, biblioteka otvorenog koda, opencv.org električna snaga \ (P_T \) (W, rms). .
Otklon vrha je izmjeren pomoću serije kadrova uzetih iz kamere velike brzine na 310 kHz koristeći algoritam od 7 koraka (1-7) uključujući kadriranje (1-2), detekciju Canny ivice (3-4), ivicu lokacije piksela na vizualno pregledanim parovima okvira (7) izmjereni su proračun (5) i njihove vremenske derivacije (6), te konačno otklon vrha od vrha do vrha.
Mjerenja su vršena u zraku (22,4-22,9°C), dejoniziranoj vodi (20,8-21,5°C) i balističkom želatinu 10% (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatin od goveđe i svinjske kosti za balističku analizu tipa I, Honeywell International, Sjeverna Karolina, SAD).Temperatura je mjerena termoelementom tipa K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) i termoparom tipa K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 tip-K, Fluke Corporation, Washington, SAD).Iz medija Dubina je mjerena od površine (postavljene kao ishodište z-ose) pomoću vertikalne motorizirane z-osi stupnja (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litvanija) sa rezolucijom od 5 µm.po koraku.
Budući da je veličina uzorka bila mala (n = 5) i da se normalnost nije mogla pretpostaviti, korišten je dvosmjerni Wilcoxonov test sume ranga s dva uzorka (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). da uporedite količinu varijanse vrha igle za različite kosine.Bilo je 3 poređenja po nagibu, tako da je primijenjena Bonferronijeva korekcija sa prilagođenim nivoom značajnosti od 0,017 i stopom greške od 5%.
Pređimo sada na Sl.7.Na frekvenciji od 29,75 kHz, poluval savijanja (\(\lambda_y/2\)) igle 21 kalibra iznosi \(\približno) 8 mm.Kako se neko približava vrhu, talasna dužina savijanja se smanjuje duž kosog ugla.Na vrhu \(\lambda _y/2\) \(\približno\) postoje koraci od 3, 1 i 7 mm za uobičajeni kopljasti (a), asimetričan (b) i osimetričan (c) nagib jedne igle , odnosno.Dakle, to znači da je raspon lancete \(\približno) 5 mm (zbog činjenice da dvije ravni lancete čine jednu tačku29,30), asimetrična kosina je 7 mm, asimetrična kosina 1 mm.Ososimetrični nagibi (težište ostaje konstantno, tako da se samo debljina stijenke cijevi mijenja duž nagiba).
FEM studije i primjena jednačina na frekvenciji od 29,75 kHz.(1) Prilikom izračunavanja varijacije polutala savijanja (\(\lambda_y/2\)) za lancet (a), asimetričnu (b) i osi simetričnu (c) geometriju kosine (kao na slici 1a,b,c) ) .Prosječna vrijednost \(\lambda_y/2\) lancetnog, asimetričnog i ososimetričnog iskosa bila je 5,65, 5,17 i 7,52 mm, respektivno.Imajte na umu da je debljina vrha za asimetrične i osi simetrične kosine ograničena na \(\približno) 50 µm.
Maksimalna mobilnost \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je optimalna kombinacija dužine cijevi (TL) i dužine kosine (BL) (sl. 8, 9).Za konvencionalnu lancetu, pošto je njena veličina fiksna, optimalni TL je \(\približno) 29,1 mm (slika 8).Za asimetrične i osimetrične 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 (slika 9a) optimalni TL raste linearno, dostiže plato na BL 4 mm, a zatim se naglo smanjuje sa BL 5 na 7 mm.Za osovinsko simetričnu kosinu (slika 9b), optimalni TL raste linearno sa povećanjem BL i konačno se stabilizuje na BL od 6 do 7 mm.Prošireno istraživanje ososimetričnog nagiba (slika 9c) otkrilo je drugačiji skup optimalnih TL-ova na \(\približno) 35,1–37,1 mm.Za sve BL, razmak između dva najbolja TL-a je \(\približno\) 8 mm (ekvivalentno \(\lambda_y/2\)).
Lancetna mobilnost prijenosa 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) .
Parametrijska istraživanja FEM-a na frekvenciji od 29,75 kHz pokazuju da na prijenosnu pokretljivost ososimetričnog vrha manje utječe promjena dužine cijevi nego njenog asimetričnog kolege.Studije dužine kosine (BL) i dužine cijevi (TL) asimetrične (a) i osi simetrične (b, c) geometrije kosine u proučavanju frekvencijskog domena korištenjem FEM (granični uvjeti prikazani su na slici 2).(a, b) TL se kretao od 26,5 do 29,5 mm (korak 0,1 mm), a BL 1–7 mm (korak 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 granični uslovi.
Konfiguracija igle ima tri vlastite frekvencije \(f_{1-3}\) podijeljene na regione niskog, srednjeg i visokog moda kao što je prikazano u Tabeli 1. Veličina PTE je zabilježena kao što je prikazano na sl.10, a zatim analizirana na slici 11. Ispod su nalazi za svako modalno područje:
Tipične zabilježene amplitude trenutne efikasnosti prijenosa snage (PTE) dobivene sa sinusoidnom ekscitacijom s pomakom frekvencije za lancetu (L) i ososimetričnu kosinu AX1-3 u zraku, vodi i želatinu na dubini od 20 mm.Prikazani su jednostrani spektri.Izmjereni frekvencijski odziv (uzorkovani na 300 kHz) filtriran je niskopropusnim opsegom, a zatim smanjen faktorom 200 za modalnu analizu.Odnos signal-šum je \(\le\) 45 dB.PTE faze (ljubičaste isprekidane linije) su prikazane u stepenima (\(^{\circ}\)).
Analiza modalnog odgovora (srednja ± standardna devijacija, n = 5) prikazana na slici 10, za nagibe L i AX1-3, u vazduhu, vodi i 10% želatina (dubina 20 mm), sa (gornja) tri modalna regiona ( niske, srednje i visoke) i njihove odgovarajuće modalne frekvencije\(f_{1-3}\) (kHz), (prosječna) energetska efikasnost \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Izračunato korištenjem ekvivalenata .(4) i (donja) puna širina na pola maksimalnih mjerenja \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respektivno.Imajte na umu da je mjerenje propusnog opsega preskočeno kada je registrovan nizak PTE, tj. \(\text {FWHM}_{1}\) u slučaju AX2 nagiba.Način \(f_2\) je najpogodniji za poređenje progiba nagiba, jer je pokazao najviši nivo efikasnosti prijenosa snage (\(\text {PTE}_{2}\)), do 99%.
Prva modalna regija: \(f_1\) ne zavisi mnogo od vrste umetnutog medija, već zavisi od geometrije nagiba.\(f_1\) se smanjuje sa smanjenjem dužine kosine (27,1, 26,2 i 25,9 kHz u zraku za AX1-3, respektivno).Regionalni prosjeci \(\text {PTE}_{1}\) i \(\text {FWHM}_{1}\) su \(\približno\) 81% i 230 Hz respektivno.\(\text {FWHM}_{1}\) ima najveći sadržaj želatina u Lancetu (L, 473 Hz).Imajte na umu da \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 u želatini nije bilo moguće procijeniti zbog niske zabilježene FRF amplitude.
Druga modalna regija: \(f_2\) zavisi od vrste umetnutog medija i kosine.Prosječne vrijednosti \(f_2\) su 29,1, 27,9 i 28,5 kHz u zraku, vodi i želatinu, respektivno.Ovaj modalni region je takođe pokazao visok PTE od 99%, najviši od svih izmerenih grupa, sa regionalnim prosekom od 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) ima regionalni prosjek od \(\približno\) 910 Hz.
Regija trećeg načina rada: frekvencija \(f_3\) ovisi o vrsti medija i nagibu.Prosječne \(f_3\) vrijednosti su 32,0, 31,0 i 31,3 kHz u zraku, vodi i želatinu, respektivno.Regionalni prosjek \(\text {PTE}_{3}\) bio je \(\približno\) 74%, najniži u bilo kojoj regiji.Regionalni prosjek \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\približno\) 1085 Hz, što je više od prvog i drugog regiona.
       Sledeće se odnosi na sl.12 i tabela 2. Lanceta (L) se najviše skretala (sa visokim značajem za sve vrhove, \(p<\) 0,017) iu zraku i u vodi (slika 12a), postigavši ​​najveći DPR (do 220 µm/ W u vazduhu). 12 i tabela 2. Lanceta (L) se najviše skretala (sa visokim značajem za sve vrhove, \(p<\) 0,017) iu zraku i u vodi (slika 12a), postigavši ​​najveći DPR (do 220 µm/ W u vazduhu). Sljedeće se odnosi na crtež 12 i tablicu 2. Lancet (L) se otklonio više od svega (sa visokom značajnošću za sve konečnike, \(p<\) 0,017) kao u zraku, tako i u vodi (ris. 12a), dostigavši ​​samu visoku DPR . Sledeće se odnosi na Sliku 12 i Tabelu 2. Lancet (L) se najviše skretao (sa velikim značajem za sve vrhove, \(p<\) 0,017) iu vazduhu iu vodi (Slika 12a), postigavši ​​najveći DPR.(do 220 μm/W u vazduhu).Smt.Slika 12 i tabela 2 ispod.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, 水中偏转最多) (p<\) 0,017（弉（弎（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) zrak). Lancet (L) otklonio se više od svega (visoka značajnost za sve poslenike, \(p<\) 0,017) u vazduhu i vodi (ris. 12a), dostiže najveći DPR (do 220 mkm/Vt u vazduhu). Lancet (L) se najviše skretao (visok značaj za sve vrhove, \(p<\) 0,017) u vazduhu i vodi (slika 12a), dostižući najveći DPR (do 220 µm/W u vazduhu). U vazduhu, AX1 koji je imao veći BL, skretao se više od AX2–3 (sa značajnošću, \(p<\) 0,017), dok je AX3 (koji je imao najniži BL) skrenuo više od AX2 sa DPR od 190 µm/W. U vazduhu, AX1 koji je imao veći BL, skretao se više od AX2–3 (sa značajnošću, \(p<\) 0,017), dok je AX3 (koji je imao najniži BL) skrenuo više od AX2 sa DPR od 190 µm/W. U zraku AX1 s više visokog BL otklona više, od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), tada kao što je AX3 (s najnižim BL) naklonjen više, nego AX2 sa DPR 190 mkm/Vt. U vazduhu, AX1 sa većim BL se skretao više od AX2–3 (sa značajnošću \(p<\) 0,017), dok je AX3 (sa najnižim BL) skrenuo više od AX2 sa 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 比AX2-3 偏转更高 (p<\) 0,017） 3蚉），偏转大于AX2, DPR 为190 µm/W 。 U vazduhu, otklon AX1 sa većim BL je veći od onog kod AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), a otklon AX3 (sa najnižim BL) je veći od onog kod AX2, DPR je 190 µm/W . U zraku AX1 sa većim BL otklonom, više od AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), tada kao što je AX3 (s najnižim BL) naklonjen više, nego AX2 sa DPR 190 mkm/Vt. U vazduhu, AX1 sa većim BL odbija više od AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), dok AX3 (sa najnižim BL) odbija više od AX2 sa DPR 190 μm/W.Na 20 mm vode, otklon i PTE AX1–3 nisu se značajno razlikovali (\(p>\) 0,017).Nivoi PTE u vodi (90,2–98,4%) su generalno bili viši nego u vazduhu (56–77,5%) (slika 12c), a pojava kavitacije je zabeležena tokom eksperimenta u vodi (slika 13, vidi i dodatne informacije).
Količina otklona vrha (srednja vrijednost ± SD, n = 5) izmjerena za kos L i AX1-3 u zraku i vodi (dubina 20 mm) pokazuje učinak promjene geometrije kosine.Mjerenja su dobivena primjenom kontinuirane jednofrekventne sinusoidne pobude.(a) Odstupanje od vrha do vrha (\(u_y\vec {j}\)) na vrhu, mjereno na (b) njihovim odgovarajućim modalnim frekvencijama \(f_2\).(c) Efikasnost prenosa snage (PTE, RMS, %) jednačine.(4) i (d) Faktor snage skretanja (DPR, µm/W) izračunat kao odstupanje od vrha do vrha i prenesene električne snage \(P_T\) (Wrms).
Tipičan dijagram sjene kamere velike brzine koji prikazuje odstupanje od vrha do vrha (zelene i crvene isprekidane linije) lancete (L) i ososimetričnog vrha (AX1–3) u vodi (dubina 20 mm) tokom poluciklusa.ciklus, 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 dužine savijanja (slika 7) i izračunali prenosivu mehaničku pokretljivost za kombinacije dužine cijevi i ivice (sl. 8, 9) za konvencionalne lancete, asimetrične i osi simetrične ivice geometrijskih oblika.Na osnovu potonjeg, procijenili smo optimalnu udaljenost od 43 mm (ili \(\približno) 2,75\(\lambda _y\) na 29,75 kHz) od vrha do šava, kao što je prikazano na slici 5, i napravili tri osnosimetrične kosine sa različitim dužinama kosina.Zatim smo okarakterizirali njihovo frekvencijsko ponašanje u zraku, vodi i 10% (w/v) balističkom želatinu u usporedbi s konvencionalnim lancetama (Slike 10, 11) i odredili način rada koji je najprikladniji za poređenje ugiba.Konačno, izmjerili smo otklon vrha talasom savijanja u zraku i vodi na dubini od 20 mm i kvantificirali efikasnost prijenosa snage (PTE, %) i faktor snage otklona (DPR, µm/W) medija za umetanje za svaki nagib.ugaoni tip (slika 12).
Pokazalo se da geometrija ukošene igle utiče na količinu otklona vrha igle.Lanceta je postigla najveći otklon i najveći DPR u odnosu na osovinsko simetričnu kosinu sa nižim prosječnim otklonom (slika 12).Osnosimetrična kosina od 4 mm (AX1) s najdužom kosom postigla je statistički značajan maksimalni otklon u zraku u odnosu na ostale osnosimetrične igle (AX2–3) (\(p < 0,017\), tabela 2), ali nije bilo značajne razlike .posmatrano kada se igla stavi u vodu.Dakle, nema očigledne prednosti veće dužine kosine u smislu vršnog otklona na vrhu.Imajući to na umu, čini se da geometrija kosine koja se proučava u ovoj studiji ima veći utjecaj na otklon od dužine 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 fleksularnog vala utječu granični uvjeti vrha.Kada se vrh igle ubaci u vodu i želatin, \(\text {PTE}_{2}\) 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).Ovo ukazuje da se maksimalni prijenos akustične energije na medij za livenje, tj. vodu ili želatinu, dešava na \(f_2\).Slično ponašanje je uočeno u prethodnoj studiji31 korištenjem jednostavnije konfiguracije uređaja u frekvencijskom opsegu 41-43 kHz, u kojoj su autori pokazali ovisnost koeficijenta refleksije napona o mehaničkom modulu medija za ugradnju.Dubina penetracije32 i mehanička svojstva tkiva obezbeđuju mehaničko opterećenje na iglu i stoga se očekuje da utiču 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 talasnim dužinama savijanja (slika 7) pokazuje da je osnosimetrični vrh strukturno čvršći (tj. čvršći na savijanje) od lancete i asimetrične kosine.Na osnovu (1) i koristeći poznatu relaciju brzina-frekvencija, procjenjujemo krutost na savijanje na vrhu igle kao \(\oko\) 200, 20 i 1500 MPa za lancetnu, asimetričnu i aksijalnu nagnutu ravninu, respektivno.Ovo odgovara \(\lambda_y\) od \(\približno\) 5,3, 1,7 i 14,2 mm, respektivno, na 29,75 kHz (sl. 7a–c).Uzimajući u obzir kliničku sigurnost tokom USeFNAB, treba procijeniti učinak geometrije na strukturnu krutost nagnute ravni34.
Studija parametara kosine u odnosu na dužinu cijevi (slika 9) pokazala je da je optimalni raspon prijenosa veći za asimetrični nagib (1,8 mm) nego za osno simetričan nagib (1,3 mm).Osim toga, pokretljivost je stabilna na \(\približno) od 4 do 4,5 mm i od 6 do 7 mm za asimetrične i osi simetrične nagibe, respektivno (sl. 9a, b).Praktični značaj ovog otkrića izražen je u proizvodnim tolerancijama, na primjer, niži raspon optimalnog TL-a može značiti da je potrebna veća tačnost dužine.Istovremeno, plato mobilnosti pruža veću toleranciju za odabir dužine pada na datoj frekvenciji bez značajnog utjecaja na mobilnost.
Studija uključuje sljedeća ograničenja.Direktno mjerenje otklona igle pomoću detekcije rubova i snimanja velike brzine (slika 12) znači da smo ograničeni na optički prozirne medije kao što su zrak i voda.Također želimo istaći da nismo koristili eksperimente za testiranje simulirane prijenosne mobilnosti i obrnuto, već smo koristili FEM studije za određivanje optimalne dužine za izradu igle.Što se tiče praktičnih ograničenja, dužina lancete od vrha do rukava je \(\približno) 0,4 cm duža od ostalih igala (AX1-3), vidi sl.3b.Ovo može uticati na modalni odgovor dizajna igle.Pored toga, oblik i zapremina lema na kraju talasovodne igle (vidi sliku 3) mogu uticati na mehaničku impedanciju dizajna igle, unoseći greške u mehaničkoj impedanciji i ponašanju savijanja.
Konačno, pokazali smo da eksperimentalna geometrija kosine utječe na količinu otklona u USeFNAB.Ako bi veći otklon imao pozitivan učinak na učinak igle na tkivo, kao što je efikasnost rezanja nakon probijanja, tada se u USeFNAB-u može preporučiti konvencionalna lanceta jer pruža maksimalan otklon uz održavanje adekvatne krutosti strukturnog vrha..Štoviše, nedavna studija35 pokazala je da veće otklon vrha može poboljšati biološke efekte kao što je kavitacija, što može doprinijeti razvoju minimalno invazivnih hirurških primjena.S obzirom na to da se pokazalo da povećanje ukupne akustične snage povećava prinos biopsije u USeFNAB13, potrebne su daljnje kvantitativne studije prinosa uzorka i kvaliteta kako bi se procijenile detaljne kliničke prednosti proučavane geometrije igle.