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.
Na osnovu interdisciplinarnog ukrštanja fizike i nauka o životu, dijagnostičke i terapijske strategije zasnovane na preciznoj medicini u posljednje vrijeme privukle su značajnu pažnju zbog praktične primjenjivosti novih inženjerskih metoda u mnogim oblastima medicine, posebno u onkologiji.U tom okviru, upotreba ultrazvuka za napad na ćelije raka u tumorima kako bi se izazvala moguća mehanička oštećenja različitih razmjera privlači sve veću pažnju naučnika širom svijeta.Uzimajući u obzir ove faktore, na osnovu elastodinamičkih vremenskih rješenja i numeričkih simulacija, predstavljamo preliminarnu studiju kompjuterske simulacije širenja ultrazvuka u tkivima u cilju odabira odgovarajućih frekvencija i snaga lokalnim zračenjem.Nova dijagnostička platforma za laboratorijsku On-Fiber tehnologiju, nazvanu bolnička igla i već patentirana.Vjeruje se da bi rezultati analize i srodnih biofizičkih uvida mogli utrti put za nove integrirane dijagnostičke i terapijske pristupe koji bi mogli igrati centralnu ulogu u primjeni precizne medicine u budućnosti, povlačeći se iz područja fizike.Počinje rastuća sinergija između biologije.
Optimizacijom velikog broja kliničkih aplikacija, postepeno se počela javljati potreba za smanjenjem nuspojava na pacijente.U tom cilju, precizna medicina1, 2, 3, 4, 5 postala je strateški cilj smanjenja doze lijekova koji se isporučuju pacijentima, u suštini slijedeći dva glavna pristupa.Prvi se zasniva na tretmanu dizajniranom prema genomskom profilu pacijenta.Drugi, koji postaje zlatni standard u onkologiji, ima za cilj izbjegavanje sistemskih procedura davanja lijeka pokušajem oslobađanja male količine lijeka, uz istovremeno povećanje preciznosti korištenjem lokalne terapije.Krajnji cilj je eliminirati ili barem minimizirati negativne efekte mnogih terapijskih pristupa, kao što su kemoterapija ili sistemska primjena radionuklida.Ovisno o vrsti raka, lokaciji, dozi zračenja i drugim faktorima, čak i terapija zračenjem može imati visok rizik za zdravo tkivo.U liječenju glioblastoma6,7,8,9 operacija uspješno uklanja osnovni karcinom, ali čak i u odsustvu metastaza mogu biti prisutni mnogi mali kancerogeni infiltrati.Ako se ne uklone u potpunosti, nove kancerozne mase mogu narasti u relativno kratkom vremenskom periodu.U tom kontekstu, gore spomenute strategije precizne medicine je teško primijeniti jer je ove infiltrate teško otkriti i proširiti na veliko područje.Ove prepreke sprečavaju definitivne rezultate u sprečavanju bilo kakvog ponovnog pojavljivanja uz pomoć preciznog lijeka, tako da se u nekim slučajevima preferiraju sistemske metode isporuke, iako lijekovi koji se koriste mogu imati vrlo visok nivo toksičnosti.Da bi se prevladao ovaj problem, idealan pristup liječenju bio bi korištenje minimalno invazivnih strategija koje mogu selektivno napasti ćelije raka bez utjecaja na zdravo tkivo.U svjetlu ovog argumenta, korištenje ultrazvučnih vibracija, za koje se pokazalo da različito utječu na kancerogene i zdrave ćelije, kako u jednoćelijskim sistemima tako i u heterogenim klasterima mezoska, čini se mogućim rješenjem.
Sa mehaničke tačke gledišta, zdrave i kancerogene ćelije zapravo imaju različite prirodne rezonantne frekvencije.Ovo svojstvo je povezano s onkogenim promjenama mehaničkih svojstava citoskeletne strukture ćelija raka12,13, dok su tumorske ćelije u prosjeku deformabilnije od normalnih ćelija.Dakle, uz optimalan izbor ultrazvučne frekvencije za stimulaciju, vibracije inducirane u odabranim područjima mogu uzrokovati oštećenje živih kancerogenih struktura, minimizirajući utjecaj na zdravu okolinu domaćina.Ovi još ne potpuno shvaćeni učinci mogu uključivati ​​uništavanje određenih ćelijskih strukturnih komponenti zbog visokofrekventnih vibracija izazvanih ultrazvukom (u principu vrlo slično litotripsiji14) i ćelijsko oštećenje zbog fenomena sličnog mehaničkom umoru, što zauzvrat može promijeniti ćelijsku strukturu .programiranje i mehanobiologija.Iako se ovo teoretsko rješenje čini vrlo pogodnim, nažalost ne može se koristiti u slučajevima kada anehogene biološke strukture onemogućavaju direktnu primjenu ultrazvuka, na primjer, u intrakranijalnim aplikacijama zbog prisustva kosti, a neke tumorske mase dojke se nalaze u masnom tkivu. tkiva.Slabljenje može ograničiti mjesto potencijalnog terapijskog efekta.Da bi se prevladali ovi problemi, ultrazvuk se mora primijeniti lokalno sa posebno dizajniranim pretvaračima koji mogu doprijeti do ozračenog mjesta što je manje invazivno moguće.Imajući to na umu, razmotrili smo mogućnost korištenja ideja vezanih za mogućnost stvaranja inovativne tehnološke platforme pod nazivom „bolnica s iglama“15.Koncept “Bolnica u igli” uključuje razvoj minimalno invazivnog medicinskog instrumenta za dijagnostičku i terapeutsku primjenu, zasnovanog na kombinaciji različitih funkcija u jednoj medicinskoj igli.Kao što je detaljnije objašnjeno u odeljku Bolničke igle, ovaj kompaktni uređaj prvenstveno se bazira na prednostima optičkih sondi 16, 17, 18, 19, 20, 21, koje su zbog svojih karakteristika pogodne za umetanje u standard 20 medicinske igle, 22 lumena.Koristeći fleksibilnost koju pruža tehnologija Lab-on-Fiber (LOF)23, vlakna efektivno postaju jedinstvena platforma za minijaturizovane i spremne za upotrebu dijagnostičke i terapeutske uređaje, uključujući tečne biopsije i uređaje za biopsiju tkiva.u biomolekularnoj detekciji24,25, lokalnoj isporuci lijeka vođenom svjetlom26,27, visoko preciznim lokalnim ultrazvučnim slikama28, termalnoj terapiji29,30 i identifikaciji tkiva raka na osnovu spektroskopije31.U okviru ovog koncepta, koristeći lokalizacijski pristup baziran na uređaju „igla u bolnici“, istražujemo mogućnost optimizacije lokalne stimulacije rezidentnih bioloških struktura korištenjem propagacije ultrazvučnih valova kroz igle za pobuđivanje ultrazvučnih valova unutar područja od interesa..Dakle, terapeutski ultrazvuk niskog intenziteta može se primijeniti direktno na rizično područje uz minimalnu invazivnost za ultrazvučne ćelije i male čvrste formacije u mekim tkivima, kao što je u slučaju gore spomenute intrakranijalne operacije, mala rupa u lubanji mora biti umetnuta s igla.Inspiriran nedavnim teorijskim i eksperimentalnim rezultatima koji sugeriraju da ultrazvuk može zaustaviti ili odgoditi razvoj određenih karcinoma,32,33,34, predloženi pristup može pomoći u rješavanju, barem u principu, ključnih kompromisa između agresivnih i kurativnih učinaka.Imajući na umu ova razmatranja, u ovom radu istražujemo mogućnost korištenja inglularnog uređaja za minimalno invazivnu ultrazvučnu terapiju raka.Preciznije, u sekciji Analiza raspršivanja sfernih tumorskih masa za procjenu frekvencije ultrazvuka zavisne od rasta, koristimo dobro uspostavljene elastodinamičke metode i akustičnu teoriju 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 sistem, koji nazivamo "Bolnica u igli", u odeljku "Bolnica u igli", analiziramo propagaciju ultrazvučnih talasa kroz medicinske igle na predviđenim frekvencijama i njihov numerički model zrači okolinu za proučavanje. glavni geometrijski parametri (stvarni unutrašnji prečnik, dužina i oštrina igle), koji utiču na prenos 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 zasnovanog na korištenju ultrazvuka koji se isporučuje putem integrirane teragnostičke platforme koja integrira ultrazvuk s drugim rješenjima.Kombinirano, kao što je ciljana isporuka lijekova i dijagnostika u realnom vremenu unutar jedne igle.
Efikasnost obezbeđivanja mehaničkih strategija za lečenje lokalizovanih solidnih tumora ultrazvučnom (ultrazvučnom) stimulacijom bio je cilj nekoliko radova koji se teorijski i eksperimentalno bave efektom ultrazvučnih vibracija niskog intenziteta na jednoćelijske sisteme 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Koristeći viskoelastične modele, nekoliko istraživača je analitički pokazalo da tumorske i zdrave ćelije pokazuju različite frekvencijske odgovore koje karakteriziraju različiti rezonantni vrhovi u rasponu US 10,11,12.Ovaj rezultat sugerira da, u principu, tumorske stanice mogu biti selektivno napadnute mehaničkim podražajima koji čuvaju okruženje domaćina.Ovakvo ponašanje je direktna posljedica ključnih dokaza da su, u većini slučajeva, tumorske ćelije savitljivije od zdravih ćelija, moguće da bi se poboljšala njihova sposobnost proliferacije i migracije37,38,39,40.Na osnovu rezultata dobijenih sa modelima pojedinačnih ćelija, npr. na mikroskali, selektivnost ćelija raka je takođe demonstrirana na mezoskali kroz numeričke studije harmonijskih odgovora heterogenih ćelijskih agregata.Pružajući različit procenat ćelija raka i zdravih ćelija, višećelijski agregati veličine stotine mikrometara izgrađeni su hijerarhijski.Na mezonivou ovih agregata, neke mikroskopske karakteristike od interesa su očuvane zbog direktne implementacije glavnih strukturnih elemenata koji karakterišu mehaničko ponašanje pojedinačnih ćelija.Konkretno, svaka ćelija koristi arhitekturu zasnovanu na tensegrity-u da oponaša odgovor različitih prethodno napregnutih struktura citoskeleta, čime utiče na njihovu ukupnu krutost12,13.Teorijska predviđanja i in vitro eksperimenti navedene literature dali su ohrabrujuće rezultate, što ukazuje na potrebu proučavanja osjetljivosti tumorskih masa na terapijski ultrazvuk niskog intenziteta (LITUS), a od ključne je važnosti procjena učestalosti ozračivanja tumorskih masa.pozicija LITUS za primjenu na licu mjesta.
Međutim, na nivou tkiva, submakroskopski opis pojedinačne komponente se neizbježno gubi, a svojstva tumorskog tkiva mogu se pratiti upotrebom sekvencijalnih metoda za praćenje rasta mase i procesa remodeliranja izazvanog stresom, uzimajući u obzir makroskopske efekte tumorskog tkiva. rast.-indukovane promjene elastičnosti tkiva na skali od 41,42.Doista, za razliku od jednoćelijskih i agregatnih sistema, čvrste tumorske mase rastu u mekim tkivima zbog postepenog nagomilavanja aberantnih rezidualnih naprezanja, koji mijenjaju prirodna mehanička svojstva zbog povećanja ukupne intratumoralne rigidnosti, a tumorska skleroza često postaje odlučujući faktor 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.Tačnije, elastična svojstva povezana sa stadijem tumora određena su na osnovu teorijskih i eksperimentalnih rezultata nekih autora u prethodnom radu.Među njima, evolucija čvrstih tumorskih sferoida uzgojenih in vivo u heterogenim medijima je proučavana primjenom nelinearnih mehaničkih modela 41,43,44 u kombinaciji s dinamikom među vrstama za predviđanje razvoja tumorskih masa i povezanog intratumoralnog stresa.Kao što je gore spomenuto, rast (npr. neelastično predrastezanje) i rezidualni stres uzrokuju progresivno remodeliranje svojstava tumorskog materijala, čime se mijenja i njegov akustički odgovor.Važno je napomenuti da u ref.41 koevolucija rasta i čvrstog stresa kod tumora je demonstrirana u eksperimentalnim kampanjama na životinjskim modelima.Konkretno, poređenje krutosti tumorskih masa dojke reseciranih u različitim fazama sa krutošću dobijenom reprodukcijom sličnih uslova in silico na sferičnom modelu konačnih elemenata s istim dimenzijama i uzimajući u obzir predviđeno polje zaostalog naprezanja potvrdilo je predloženu metodu valjanost modela..U ovom radu su prethodno dobijeni teorijski i eksperimentalni rezultati korišteni za razvoj nove razvijene terapijske strategije.Ovdje su posebno izračunate predviđene veličine s odgovarajućim svojstvima evolucijske otpornosti, koje su stoga korištene za procjenu frekvencijskih opsega na koje su tumorske mase ugrađene u okruženje domaćina osjetljivije.U tu svrhu istražili smo dinamičko ponašanje tumorske mase u različitim fazama, uzeto u različitim fazama, uzimajući u obzir akustičke indikatore u skladu s općeprihvaćenim principom raspršenja kao odgovor na ultrazvučne podražaje i naglašavajući moguće rezonantne fenomene sferoida. .ovisno o tumoru i domaćinu Razlike u krutosti između tkiva zavisne od rasta.
Tako su tumorske mase modelirane kao elastične sfere radijusa \(a\) u okolnom elastičnom okruženju domaćina na osnovu eksperimentalnih podataka koji pokazuju kako glomazne maligne strukture rastu in situ u sfernim oblicima.Pozivajući se na sliku 1, koristeći sferne koordinate \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (gdje \(\theta\) i \(\varphi\) predstavljaju ugao anomalije i azimutski ugao respektivno), tumorski domen zauzima Region ugrađen u zdrav prostor \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) neograničeni region \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Pozivajući se na Dopunske informacije (SI) za potpuni opis matematičkog modela zasnovanog na dobro uspostavljenoj elastodinamičkoj bazi objavljenoj u mnogim literaturama45,46,47,48, ovdje razmatramo problem karakteriziran oscimetričnim oscilacijskim modom.Ova pretpostavka implicira da su sve varijable unutar tumora i zdravih područja nezavisne od azimutalne koordinate \(\varphi\) i da ne dolazi do distorzije u ovom smjeru.Prema tome, 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 \(\chi = \šešir{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , oni su respektivno povezano sa longitudinalnim i posmičnim talasom, vreme koincidencije t između talasa \(\theta \) i ugla između smera upadnog talasa i vektora položaja \({\mathbf {x))\) ( kao što je prikazano na slici 1) i \(\omega = 2\pi f\) predstavlja ugaonu frekvenciju.Konkretno, upadno polje je modelirano ravnim talasom \(\phi_{H}^{(in)}\) (takođe uveden u SI sistem, u jednačini (A.9)) koji se širi u zapreminu tela prema zakonskom izrazu
gdje je \(\phi_{0}\) parametar amplitude.Sferna ekspanzija upadnog ravnog vala (1) korištenjem funkcije sfernog vala je standardni argument:
Gdje je \(j_{n}\) sferna Beselova funkcija prve vrste reda \(n\), a \(P_{n}\) je Legendreov polinom.Dio upadnog vala investicione sfere se raspršuje u okolnom mediju i preklapa upadno polje, dok se drugi dio raspršuje unutar sfere, doprinoseći njenoj vibraciji.Da biste to učinili, harmonijska rješenja talasne jednačine \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) i \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), koje je dao na primjer Eringen45 (vidi također SI ) može ukazivati ​​na tumor i zdrava područja.Konkretno, raspršeni ekspanzijski valovi i izovolumični valovi generirani u mediju domaćina \(H\) priznaju svoje potencijalne energije:
Među njima, sferna Hankelova funkcija prve vrste \(h_{n}^{(1)}\) se koristi za razmatranje odlaznog raspršenog talasa, i \(\alpha_{n}\) i \(\beta_{ n}\ ) su nepoznati koeficijenti.u jednačini.U jednačinama (2)–(4), pojmovi \(k_{H1}\) i \(k_{H2}\) označavaju valne brojeve razrjeđivanja i transverzalnih valova u glavnom dijelu tijela, respektivno ( vidi SI).Kompresijska polja unutar tumora i pomaci imaju oblik
Gdje \(k_{T1}\) i \(k_{T2}\) predstavljaju longitudinalni i poprečni talasni broj u području tumora, a nepoznati koeficijenti su \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Na osnovu ovih rezultata, radijalne i obodne komponente pomaka različite od nule su karakteristične za zdrave regije u problemu koji se razmatra, kao što su \(u_{Hr}\) i \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) pretpostavka simetrije 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 \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } (r\chi) } \desno)\) formiranjem \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) i \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (vidi SI za detaljnu matematičku derivaciju).Slično, zamjena \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) i \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) vraća {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) i \(u_{T\theta} = r^{-1}\djelimično _{\theta }\lijevo({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\desno)\).
(Ljevo) Geometrija sferičnog tumora uzgojenog u zdravoj sredini kroz koju se propagira upadno polje, (desno) Odgovarajuća evolucija omjera krutosti tumor-domaćin kao funkcije radijusa tumora, prijavljeni podaci (prilagođeno iz Carotenuto et al. 41) iz in kompresijskih testova vitro dobijeni su iz čvrstih tumora dojke inokuliranih sa MDA-MB-231 ćelijama.
Pod pretpostavkom da su linearni elastični i izotropni materijali, komponente naprezanja koje nisu nula u zdravom i tumorskom području, tj. \(\sigma_{Hpq}\) i \(\sigma_{Tpq}\) – poštuju generalizovani Hookeov zakon, s obzirom da postoji su različiti Laméovi moduli, koji karakteriziraju elastičnost domaćina i tumora, označeni kao \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) i \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (pogledajte jednačinu (A.11) za potpuni izraz komponenti napona predstavljenih u SI).Konkretno, prema podacima u referenci 41 i prikazanim na slici 1, rastući tumori pokazali su promjenu konstante elastičnosti tkiva.Dakle, pomaci i naprezanja u regijama domaćina i tumora određuju se u potpunosti 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 ovi vektori koeficijenta, uvedeni su odgovarajući interfejsi i granični uslovi između tumora i zdravih područja.Uz pretpostavku savršenog vezivanja na interfejsu tumor-domaćin \(r = a\), kontinuitet pomeranja i napona zahteva sledeće uslove:
Sistem (7) formira sistem jednačina sa beskonačnim rješenjima.Osim toga, svaki granični uvjet ovisit će o anomaliji \(\theta\).Da se problem graničnih vrijednosti svede na potpuni algebarski problem sa \(N\) skupovima zatvorenih sistema, od kojih je svaki u nepoznatom \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (sa \ ( N \ do \infty \), teoretski), i da bi se eliminisala zavisnost jednačina od trigonometrijskih termina, uslovi interfejsa su zapisani u slabom obliku koristeći ortogonalnost Legendrovih polinoma.Konkretno, jednadžba (7)1,2 i (7)3,4 se množe sa \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) i \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\), a zatim integrirajte između \(0\) i \(\pi\) koristeći matematičke identitete:
Dakle, uslov interfejsa (7) vraća kvadratni sistem algebarskih jednačina, koji se može izraziti u matričnom obliku kao \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) i dobijemo nepoznatu \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ) rješavanjem Cramerovog pravila.
Za procjenu fluksa energije raspršenog sferom i dobivanje informacija o njenom akustičkom odgovoru na osnovu podataka o raspršenom polju koje se širi u mediju domaćina, od interesa je akustična veličina, koja je normalizirani bistatički poprečni presjek raspršenja.Konkretno, poprečni presek rasejanja, označen kao \(s), izražava odnos između akustične snage koju prenosi rasejani signal i podele energije koju nosi upadni talas.U tom smislu, veličina funkcije oblika \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) je često korišćena veličina u proučavanju akustičkih mehanizama ugrađen u tečnost ili čvrstu površinu. Rasipanje objekata u sedimentu.Preciznije, amplituda funkcije oblika definira se kao diferencijalni presjek raspršenja \(ds\) po jedinici površine, koji se razlikuje po normali na smjer širenja upadnog vala:
gdje \(f_{n}^{pp}\) i \(f_{n}^{ps}\) označavaju modalnu funkciju, koja se odnosi na omjer snaga longitudinalnog talasa i raspršenog talasa u odnosu na incidentni P-talas u prijemnom mediju, respektivno, dati su sljedećim izrazima:
Parcijalne valne funkcije (10) mogu se samostalno proučavati u skladu s teorijom rezonantnog raspršenja (RST)49,50,51,52, što omogućava odvajanje ciljne elastičnosti od ukupnog lutajućeg polja pri proučavanju različitih modova.Prema ovoj metodi, funkcija modalnog oblika može se razložiti na zbir dva jednaka dijela, odnosno \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) odnose se na rezonantne i nerezonantne amplitude pozadine, respektivno.Funkcija oblika rezonantnog moda povezana je s odgovorom mete, dok je pozadina obično povezana s oblikom raspršivača.Za otkrivanje prvog formanta cilja za svaki mod, amplituda funkcije modalnog rezonantnog oblika \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) izračunava se uz pretpostavku tvrdu pozadinu, koja se sastoji od neprobojnih sfera u elastičnom materijalu domaćina.Ova hipoteza je motivisana činjenicom da se, generalno, i krutost i gustina povećavaju sa rastom tumorske mase usled zaostalog tlačnog naprezanja.Dakle, pri ozbiljnom nivou rasta, očekuje se da omjer impedanse \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) bude veći od 1 za većinu makroskopskih solidnih tumora koji se razvijaju u mekim maramice.Na primjer, Krouskop et al.53 je prijavilo omjer kancerogenog i normalnog modula od oko 4 za tkivo prostate, dok se ova vrijednost povećala na 20 za uzorke tkiva dojke.Ovi odnosi neizbježno mijenjaju akustičnu impedanciju tkiva, što je također demonstrirano elastografskom analizom54,55,56, a mogu biti povezane s lokaliziranim zadebljanjem tkiva uzrokovanim hiperproliferacijom tumora.Ova razlika je također uočena eksperimentalno s jednostavnim testovima kompresije blokova tumora dojke uzgojenih u različitim fazama32, a remodeliranje materijala može se dobro pratiti s prediktivnim modelima unakrsnih vrsta nelinearno rastućih tumora43,44.Dobijeni podaci o krutosti direktno su povezani sa evolucijom Youngovog modula solidnih tumora prema formuli \(E_{T} = S\left( {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).Tako je moguće dobiti mjerenje akustične impedanse tumora i domaćina na različitim nivoima rasta.Konkretno, u poređenju sa modulom normalnog tkiva od 2 kPa na slici 1, modul elastičnosti tumora dojke u opsegu zapremine od oko 500 do 1250 mm3 rezultirao je povećanjem sa oko 10 kPa na 16 kPa, što je u skladu sa prijavljenim podacima.u referencama 58, 59 utvrđeno je da je pritisak u uzorcima tkiva dojke 0,25–4 kPa sa nestajućom predkompresijom.Takođe pretpostavite da je Poissonov omjer gotovo nestišljivog tkiva 41,60, što znači da se gustina tkiva ne mijenja značajno kako se volumen povećava.Konkretno, korištena je prosječna masovna gustina naseljenosti \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.S ovim razmatranjima, krutost može poprimiti pozadinski način 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 sistema \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) uključujući maloljetnike\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}) i odgovarajući pojednostavljeni vektor kolone\(\widehat {\mathbf {q}}}_{n} (a)\ Pruža osnovno znanje u jednačini (11), dvije amplitude rezonantne funkcije raspršenja \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \desno)\,pp}} \left( \theta \right)} \right = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) i \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) odnosi se na pobudu P-talasa i refleksiju P-talasa, respektivno.Nadalje, prva amplituda je procijenjena kao \(\theta = \pi\), a druga amplituda je procijenjena kao \(\theta = \pi/4\).Učitavanjem različitih svojstava kompozicije.Slika 2 pokazuje da su rezonantne karakteristike tumorskih sferoida do oko 15 mm u prečniku uglavnom koncentrisane u frekvencijskom opsegu od 50-400 kHz, što ukazuje na mogućnost upotrebe niskofrekventnog ultrazvuka za izazivanje rezonantne ekscitacije tumora.ćelije.Puno.U ovom frekvencijskom opsegu, RST analiza je otkrila jednomodne formante za modove 1 do 6, istaknute na slici 3. Ovdje i pp- i ps-rasuti valovi pokazuju formante prvog tipa, koji se javljaju 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 poluprečniku sfere.Rezonantna funkcija ps tada opada, dok kombinacija pp formanti velike amplitude daje periodičnost od oko 60 kHz, pokazujući veći pomak frekvencije sa povećanjem broja modova.Sve analize su obavljene korišćenjem računarskog softvera Mathematica®62.
Funkcije oblika povratnog raspršenja dobijene iz modula tumora dojke različitih veličina prikazane su na slici 1, gdje su istaknute najveće trake raspršenja uzimajući u obzir superpoziciju modova.
Rezonancije odabranih modova od \(n = 1\) do \(n = 6\), izračunate pri ekscitaciji i refleksiji P-talasa na različitim veličinama tumora (crne krive od \(\lijevo | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right = {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) – f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) i pobuda P-talasa i refleksija S-talasa (sive krive date funkcijom modalnog oblika \( \left | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right = \left|. \left( {\pi /4} \desno) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \desno)} \desno |\)).
Rezultati ove preliminarne analize korištenjem uvjeta širenja dalekog polja mogu voditi odabir pogonskih frekvencija specifičnih za pogon u sljedećim numeričkim simulacijama za proučavanje utjecaja naprezanja mikrovibracije na masu.Rezultati pokazuju da kalibracija optimalnih frekvencija može biti specifična za stadijum tokom rasta tumora i može se odrediti korišćenjem rezultata modela rasta za uspostavljanje biomehaničkih strategija koje se koriste u terapiji bolesti za ispravno predviđanje remodeliranja tkiva.
Značajan napredak u nanotehnologiji pokreće naučnu zajednicu da pronađe nova rješenja i metode za razvoj minijaturiziranih i minimalno invazivnih medicinskih uređaja za in vivo primjene.U tom kontekstu, LOF tehnologija je pokazala izuzetnu sposobnost proširenja mogućnosti optičkih vlakana, omogućavajući razvoj novih minimalno invazivnih optičkih uređaja za primjenu u znanosti o životu21, 63, 64, 65. Ideja integracije 2D i 3D materijala sa željenim hemijskim, biološkim i optičkim svojstvima na stranama 25 i/ili krajevima 64 optičkih vlakana sa potpunom prostornom kontrolom na nanoskali dovodi do pojave nove klase optičkih nanooptoda.ima širok spektar dijagnostičkih i terapijskih funkcija.Zanimljivo je da su zbog svojih geometrijskih i mehaničkih svojstava (mali poprečni presjek, veliki omjer širine i visine, fleksibilnost, mala težina) i biokompatibilnosti materijala (obično stakla ili polimera), optička vlakna vrlo pogodna za umetanje u igle i katetere.Medicinske aplikacije20, utirući put za novu viziju „bolnice sa iglama“ (vidi sliku 4).
U stvari, zbog stepena slobode koje pruža LOF tehnologija, korištenjem integracije mikro- i nanostruktura napravljenih od različitih metalnih i/ili dielektričnih materijala, optička vlakna se mogu pravilno funkcionalizirati za specifične primjene koje često podržavaju rezonantnu pobudu., Svjetlosno polje 21 je jako pozicionirano.Zadržavanje svjetlosti na podvalnoj skali, 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.Izbor vrste i veličine integrisanih komponenti/materijala očigledno zavisi od fizičkih, bioloških ili hemijskih parametara koji se detektuju21,63.
Integracija LOF sondi u medicinske igle usmjerene na određena mjesta u tijelu omogućit će lokalne biopsije tekućine i tkiva in vivo, omogućavajući istovremeno lokalni tretman, smanjujući nuspojave i povećavajući efikasnost.Potencijalne mogućnosti uključuju otkrivanje različitih cirkulirajućih biomolekula, uključujući rak.biomarkeri ili mikroRNA (miRNA)67, identifikacija kancerogenih tkiva korištenjem linearne i nelinearne spektroskopije kao što je Ramanova spektroskopija (SERS)31, fotoakustična slika visoke rezolucije22,28,68, laserska hirurgija i ablacija69, te lijekovi za lokalnu primjenu pomoću svjetlosti27 i automatsko vođenje igala u ljudsko tijelo20.Vrijedi napomenuti da iako se upotrebom optičkih vlakana izbjegavaju tipični nedostaci „klasičnih“ metoda zasnovanih na elektronskim komponentama, kao što su potreba za električnim vezama i prisustvo elektromagnetnih smetnji, ovo omogućava da se različiti LOF senzori efikasno integrišu u sistem.jedna medicinska igla.Posebna pažnja se mora posvetiti smanjenju štetnih efekata kao što su zagađenje, optičke smetnje, fizičke prepreke koje uzrokuju efekte preslušavanja između različitih funkcija.Međutim, također je istina da mnoge od navedenih funkcija ne moraju biti aktivne u isto vrijeme.Ovaj aspekt omogućava barem smanjenje smetnji, čime se ograničava negativan uticaj na performanse svake sonde i tačnost procedure.Ova razmatranja nam omogućavaju da koncept „igle u bolnici“ posmatramo kao jednostavnu viziju za postavljanje čvrste osnove za sljedeću generaciju terapijskih igala u znanostima o životu.
S obzirom na konkretnu primjenu o kojoj se govori u ovom radu, u sljedećem dijelu ćemo numerički istražiti sposobnost medicinske igle da usmjerava ultrazvučne valove u ljudska tkiva koristeći njihovo širenje duž svoje ose.
Širenje ultrazvučnih talasa kroz medicinsku iglu napunjenu vodom i ubačenu u meka tkiva (vidi dijagram na slici 5a) modelovano je korišćenjem komercijalnog softvera Comsol Multiphysics zasnovanog na metodi konačnih elemenata (FEM)70, gde su igla i tkivo modelovani kao linearno elastično okruženje.
Pozivajući se na Sliku 5b, igla je modelirana kao šuplji cilindar (takođe poznat kao “kanila”) napravljen od nehrđajućeg čelika, standardnog materijala za medicinske igle71.Konkretno, modeliran je sa Youngovim modulom E = 205 GPa, Poissonovim omjerom ν = 0,28 i gustoćom ρ = 7850 kg m −372,73.Geometrijski gledano, igla se odlikuje dužinom L, unutrašnjim prečnikom D (koji se takođe naziva „zazor“) i debljinom zida t.Osim toga, smatra se da je vrh igle nagnut pod uglom α u odnosu na uzdužni smjer (z).Volumen vode u suštini odgovara obliku unutrašnjeg područja igle.U ovoj preliminarnoj analizi, pretpostavljeno je da je igla potpuno uronjena u područje tkiva (pretpostavljeno da se proteže beskonačno), modelirano kao sfera radijusa rs, koja je ostala konstantna na 85 mm tokom svih simulacija.Detaljnije, završavamo sferni region sa savršeno usklađenim slojem (PML), koji barem smanjuje neželjene talase reflektovane od „imaginarnih“ granica.Zatim smo odabrali radijus rs tako da sferičnu granicu domene postavimo dovoljno daleko od igle da ne utiče na računsko rješenje, i dovoljno mali da ne utiče na računsku cijenu simulacije.
Harmonični uzdužni pomak frekvencije f i amplitude A primjenjuje se na donju granicu geometrije olovke;ova situacija predstavlja ulazni stimulans primenjen na simuliranu geometriju.Na preostalim granicama igle (u kontaktu s tkivom i vodom) smatra se da prihvaćeni model uključuje odnos između dva fizička fenomena, od kojih je jedan povezan sa strukturnom mehanikom (za područje igle), i drugi na strukturnu mehaniku.(za akkularnu regiju), pa se akustici nameću odgovarajući uslovi (za vodu i akkularnu regiju)74.Konkretno, male vibracije primijenjene na sjedište igle uzrokuju male perturbacije napona;dakle, pod pretpostavkom da se igla ponaša kao elastična sredina, vektor pomaka U može se procijeniti iz jednadžbe elastodinamičke ravnoteže (Navier)75.Strukturne oscilacije igle uzrokuju promjene u tlaku vode unutar nje (koji se u našem modelu smatra stacionarnim), uslijed čega se zvučni valovi šire u uzdužnom smjeru igle, u suštini poštujući Helmholtzovu jednačinu76.Konačno, uz pretpostavku da su nelinearni efekti u tkivima zanemarljivi i da je amplituda posmičnih valova mnogo manja od amplitude tlačnih valova, Helmholtzova jednačina se također može koristiti za modeliranje širenja akustičnih valova u mekim tkivima.Nakon ove aproksimacije, tkivo se smatra tekućinom77 sa gustinom od 1000 kg/m3 i brzinom zvuka od 1540 m/s (zanemarujući efekte prigušenja zavisne od frekvencije).Za povezivanje ova dva fizička polja potrebno je osigurati kontinuitet normalnog kretanja na granici čvrstog i tečnog, statičku ravnotežu između pritiska i naprezanja okomito na granicu čvrstog tijela, te tangencijalnog naprezanja na granici čvrstog tijela. tečnost mora biti jednaka nuli.75 .
U našoj analizi istražujemo širenje akustičnih talasa duž igle u stacionarnim uslovima, fokusirajući se na uticaj geometrije igle na emisiju talasa unutar tkiva.Posebno smo istraživali uticaj unutrašnjeg prečnika igle D, dužine L i ugla kosine α, držeći debljinu t fiksnom na 500 µm za sve proučavane slučajeve.Ova vrijednost t je bliska tipičnoj standardnoj debljini stijenke 71 za komercijalne igle.
Bez gubitka općenitosti, frekvencija f harmonijskog pomaka primijenjenog na bazu igle uzeta je jednakom 100 kHz, a amplituda A je 1 μm.Konkretno, frekvencija je postavljena na 100 kHz, što je u skladu s analitičkim procjenama datim u odjeljku „Analiza raspršivanja sferičnih tumorskih masa za procjenu ultrazvučnih frekvencija zavisnih od rasta“, gdje je pronađeno rezonantno ponašanje tumorskih masa u frekvencijski opseg od 50–400 kHz, sa najvećom amplitudom rasejanja koncentrisanom na nižim frekvencijama oko 100–200 kHz (vidi sliku 2).
Prvi proučavani parametar bio je unutrašnji prečnik D igle.Radi praktičnosti, definira se kao cijeli broj dužine akustičkog talasa u šupljini igle (tj. u vodi λW = 1,5 mm).Zaista, fenomeni širenja talasa u uređajima koje karakteriše data geometrija (na primer, u talasovodu) često zavise od karakteristične veličine geometrije koja se koristi u poređenju sa talasnom dužinom talasa koji se širi.Osim toga, u prvoj analizi, da bismo što bolje naglasili uticaj prečnika D na širenje akustičnog talasa kroz iglu, razmatrali smo ravan vrh, postavljajući ugao α = 90°.Tokom ove analize, dužina igle L je fiksirana na 70 mm.
Na sl.6a je prikazan prosječni intenzitet zvuka u funkciji parametra bezdimenzionalne skale SD, tj. D = λW/SD procijenjen u sferi polumjera 10 mm sa središtem na odgovarajućem vrhu igle.Parametar skaliranja SD se mijenja od 2 do 6, odnosno smatramo D vrijednosti u rasponu od 7,5 mm do 2,5 mm (na f = 100 kHz).Asortiman također uključuje standardnu ​​vrijednost od 71 za medicinske igle od nehrđajućeg čelika.Kao što se i očekivalo, unutrašnji prečnik igle utiče na intenzitet zvuka koji igla emituje, sa maksimalnom vrednošću (1030 W/m2) koja odgovara D = λW/3 (tj. D = 5 mm) i trendom smanjenja sa opadanjem prečnika.Treba imati u vidu da je prečnik D geometrijski parametar koji utiče i na invazivnost medicinskog sredstva, pa se ovaj kritični aspekt ne može zanemariti pri izboru optimalne vrednosti.Dakle, iako do smanjenja D dolazi zbog niže transmisije akustičkog intenziteta u tkivima, za naredne studije, prečnik D = λW/5, odnosno D = 3 mm (odgovara standardu 11G71 na f = 100 kHz) , smatra se razumnim kompromisom između nametljivosti uređaja i prijenosa intenziteta zvuka (prosječno oko 450 W/m2).
Prosečan intenzitet zvuka koji emituje vrh igle (smatra se ravnim), u zavisnosti od unutrašnjeg prečnika igle (a), dužine (b) i ugla nagiba α (c).Dužina u (a, c) je 90 mm, a prečnik u (b, c) je 3 mm.
Sljedeći parametar koji treba analizirati je dužina igle L. Kao u prethodnoj studiji slučaja, uzimamo u obzir kosi ugao α = 90°, a dužina je skalirana kao umnožak valne dužine u vodi, tj. L = SL λW .Parametar bezdimenzionalne skale SL se mijenja sa 3 na 7, čime se procjenjuje prosječan intenzitet zvuka koji emituje vrh igle u rasponu dužina od 4,5 do 10,5 mm.Ovaj raspon uključuje tipične vrijednosti za komercijalne igle.Rezultati su prikazani na sl.6b, koji pokazuje da dužina igle L ima veliki uticaj na prenos intenziteta zvuka u tkivima.Konkretno, optimizacija ovog parametra je omogućila poboljšanje prijenosa za otprilike red veličine.Zapravo, u analiziranom rasponu dužina, prosječni intenzitet zvuka poprima lokalni maksimum od 3116 W/m2 pri SL = 4 (tj. L = 60 mm), a drugi odgovara SL = 6 (tj. L = 90 mm).
Nakon analize uticaja prečnika i dužine igle na propagaciju ultrazvuka u cilindričnoj geometriji, fokusirali smo se na uticaj ugla kosine na prenos intenziteta zvuka u tkivima.Prosječni intenzitet zvuka koji izlazi iz vrha vlakna procijenjen je kao funkcija ugla α, mijenjajući njegovu vrijednost od 10° (oštar vrh) do 90° (ravni vrh).U ovom slučaju, radijus integrirajuće sfere oko razmatranog vrha igle bio je 20 mm, tako da je za sve vrijednosti α vrh igle bio uključen u zapreminu izračunatu iz prosjeka.
Kao što je prikazano na sl.6c, kada se vrh izoštri, tj. kada α opada počevši od 90°, intenzitet emitovanog zvuka se povećava, 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.Daljnjim izoštravanjem vrha (tj. pri α ispod 50°), intenzitet zvuka ima tendenciju smanjenja, dostižući vrijednosti koje se mogu uporediti sa spljoštenim vrhom.Međutim, iako smo za naše simulacije uzeli u obzir širok raspon uglova nagiba, vrijedi uzeti u obzir da je oštrenje vrha neophodno kako bi se olakšalo umetanje igle u tkivo.U stvari, manji ugao nagiba (oko 10°) može smanjiti silu 78 potrebnu za prodiranje u tkivo.
Pored vrednosti intenziteta zvuka koji se prenosi unutar tkiva, ugao nagiba takođe utiče na smer prostiranja talasa, kao što je prikazano na grafikonima nivoa zvučnog pritiska prikazanim na slici 7a (za ravan vrh) i 3b (za 10° ).zakošeni vrh), paralelno. Uzdužni pravac se ocjenjuje u ravni simetrije (yz, upor. sl. 5).U krajnostima ova dva razmatranja, nivo zvučnog pritiska (koji se naziva 1 µPa) je uglavnom koncentrisan unutar šupljine igle (tj. u vodi) i zrači u tkivo.Detaljnije, u slučaju ravnog vrha (slika 7a), raspodjela nivoa zvučnog pritiska je savršeno simetrična u odnosu na uzdužni pravac, a stajaći talasi se mogu razlikovati u vodi koja ispunjava telo.Val je orijentisan uzdužno (z-osa), amplituda dostiže svoju maksimalnu vrijednost u vodi (oko 240 dB) i opada poprečno, što dovodi do slabljenja od oko 20 dB na udaljenosti od 10 mm od centra igle.Kao što se i očekivalo, uvođenje šiljastog vrha (slika 7b) narušava ovu simetriju, a antinodi stajaćih talasa se „skreću“ prema vrhu igle.Očigledno, ova asimetrija utiče na intenzitet zračenja vrha igle, kao što je ranije opisano (slika 6c).Da bismo bolje razumjeli ovaj aspekt, akustički intenzitet je procijenjen duž linije reza ortogonalne na uzdužni smjer igle, koja se nalazila u ravnini simetrije igle i nalazila se na udaljenosti od 10 mm od vrha igle ( rezultati na slici 7c).Preciznije, distribucije intenziteta zvuka procijenjene pod kosim uglovima od 10°, 20° i 30° (plave, crvene i zelene pune linije, respektivno) upoređene su sa distribucijom blizu ravnog kraja (crne tačkaste krive).Čini se da je raspodjela intenziteta povezana s iglama s ravnim vrhom simetrična u odnosu na centar igle.Konkretno, on poprima vrijednost od oko 1420 W/m2 u centru, 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, centralni režanj se dijeli na više režnjeva različitog intenziteta.Tačnije, kada je α bio 30°, tri latice su se mogle jasno razlikovati u profilu mjerenom na 1 mm od vrha igle.Centralna je skoro u sredini igle i ima procenjenu vrednost od 1850 W/m2, a viša desno je oko 19 mm od centra i dostiže 2625 W/m2.Na α = 20°, postoje 2 glavna režnja: jedan na -12 mm pri 1785 W/m2 i jedan na 14 mm pri 1524 W/m2.Kada vrh postane oštriji i ugao dostigne 10°, na oko -20 mm postiže se maksimum od 817 W/m2, a duž profila su vidljiva još tri režnja nešto manjeg intenziteta.
Nivo zvučnog pritiska u ravni simetrije y–z igle sa ravnim krajem (a) i kosom od 10° (b).(c) Raspodjela akustičkog intenziteta procijenjena duž linije reza okomito na uzdužni smjer igle, na udaljenosti od 10 mm od vrha igle i koja leži u ravni simetrije yz.Dužina L je 70 mm, a prečnik D 3 mm.
Uzeti zajedno, ovi rezultati pokazuju da se medicinske igle mogu efikasno koristiti za prenošenje ultrazvuka na 100 kHz u meko tkivo.Intenzitet emitovanog 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 ofseta, smatra se da je igla potpuno ubačena u beskonačno prošireno meko tkivo.Konkretno, ugao nagiba snažno utiče na intenzitet i pravac prostiranja zvučnih talasa u tkivu, što prvenstveno dovodi do ortogonalnosti reza vrha igle.
Kako bi se podržao razvoj novih strategija liječenja tumora zasnovanih na korištenju neinvazivnih medicinskih tehnika, analitički i računski analizirano je širenje ultrazvuka niske frekvencije u okruženju tumora.Konkretno, u prvom dijelu studije, privremeno elastodinamičko rješenje omogućilo nam je proučavanje raspršivanja ultrazvučnih valova u čvrstim tumorskim sferoidima poznate veličine i krutosti kako bi se proučavala frekvencijska osjetljivost mase.Zatim su odabrane frekvencije reda stotina kiloherca, a lokalna primjena vibracijskog stresa u okruženju tumora pomoću pogona medicinske igle modelirana je u numeričkoj simulaciji proučavanjem utjecaja glavnih projektnih parametara koji određuju prijenos akustičkog zvuka. snagu instrumenta na okolinu.Rezultati pokazuju da se medicinske igle mogu efikasno koristiti za zračenje tkiva ultrazvukom, a njihov intenzitet je usko povezan sa geometrijskim parametrom igle, koji se naziva radna akustična talasna dužina.Zapravo, intenzitet zračenja kroz tkivo raste sa povećanjem unutrašnjeg prečnika igle, dostižući maksimum kada je prečnik tri puta veći od talasne dužine.Dužina igle takođe pruža određeni stepen slobode za optimizaciju ekspozicije.Poslednji rezultat je zaista maksimiziran kada je dužina igle podešena na određeni višekratnik radne talasne dužine (posebno 4 i 6).Zanimljivo je da su za opseg frekvencija od interesa, optimizirane vrijednosti promjera i dužine bliske onima koje se obično koriste za standardne komercijalne igle.Ugao kosine, koji određuje oštrinu igle, takođe utiče na emisivnost, dostižući maksimum na oko 50° i pruža dobre performanse na oko 10°, što se obično koristi za komercijalne igle..Rezultati simulacije će se koristiti za usmjeravanje implementacije i optimizacije bolničke intraigle dijagnostičke platforme, integraciju dijagnostičkog i terapeutskog ultrazvuka s drugim terapijskim rješenjima unutar uređaja i realizaciju kolaborativnih intervencija precizne medicine.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. i Kopp MV Šta je precizna medicina?Eur, strani.Časopis 50, 1700391 (2017).
Collins, FS i Varmus, H. Nove inicijative u preciznoj medicini.N. eng.J. Medicine.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK i Wang, MD.Informatika biomedicinskog snimanja u eri precizne medicine: dostignuća, izazovi i mogućnosti.Jam.lijek.informirati.docent.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precizna onkologija: pregled.J. Clinical.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. i Salem, A. Poboljšanje u terapiji glioblastoma (GBM) korištenjem sistema isporuke zasnovanog na nanočesticama.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G i von Daimling A. Glioblastom: patologija, molekularni mehanizmi i markeri.Acta Neuropathology.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM i Berger, MS Trenutne i buduće strategije za liječenje glioma.neurohirurgija.Ed.40, 1–14 (2017).