Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Nedávno bylo prokázáno, že použití ultrazvuku může zlepšit výtěžnost tkáně u ultrazvukem zesílené aspirační biopsie jemnou jehlou (USeFNAB) ve srovnání s konvenční aspirační biopsií tenkou jehlou (FNAB).Vztah mezi geometrií zkosení a činností hrotu jehly nebyl dosud zkoumán.V této studii jsme zkoumali vlastnosti rezonance jehly a amplitudy výchylky pro různé geometrie úkosu jehly s různými délkami úkosu.Při použití konvenční lancety s řezem 3,9 mm byl výkonový faktor vychýlení hrotu (DPR) 220 a 105 µm/W ve vzduchu a ve vodě.To je vyšší než u osově symetrického 4mm zkoseného hrotu, který dosáhl DPR 180 a 80 µm/W ve vzduchu a ve vodě.Tato studie zdůrazňuje důležitost vztahu mezi ohybovou tuhostí geometrie úkosu v kontextu různých pomůcek pro vkládání, a tak může poskytnout vhled do metod řízení činnosti řezání po propíchnutí změnou geometrie zkosení jehly, což je důležité pro USeFNAB.Na aplikaci záleží.
Aspirační biopsie tenkou jehlou (FNAB) je technika, při které se jehla používá k získání vzorku tkáně při podezření na abnormalitu1,2,3.Bylo prokázáno, že hroty typu Franseen poskytují vyšší diagnostický výkon než tradiční hroty Lancet4 a Menghini5.Pro zvýšení pravděpodobnosti adekvátního vzorku pro histopatologii byly navrženy také osově symetrické (tj. obvodové) úkosy6.
Během biopsie se jehla prostrčí vrstvami kůže a tkáně, aby se odhalila podezřelá patologie.Nedávné studie ukázaly, že ultrazvuková aktivace může snížit punkční sílu potřebnou pro přístup k měkkým tkáním7,8,9,10.Ukázalo se, že geometrie zkosení jehly ovlivňuje síly interakce jehly, např. u delších zkosení bylo prokázáno, že mají nižší síly pronikání do tkáně 11 .Bylo navrženo, že poté, co jehla pronikla povrchem tkáně, tj. po propíchnutí, řezná síla jehly může být 75 % celkové síly interakce jehla-tkáň12.Bylo prokázáno, že ultrazvuk (US) zlepšuje kvalitu diagnostické biopsie měkkých tkání v postpunkční fázi13.Pro odběr vzorků z tvrdých tkání byly vyvinuty další metody ke zlepšení kostní biopsie14,15, ale nebyly hlášeny žádné výsledky, které by kvalitu biopsie zlepšily.Několik studií také zjistilo, že mechanické posunutí se zvyšuje se zvyšujícím se napětím ultrazvukového pohonu16,17,18.Ačkoli existuje mnoho studií axiálních (podélných) statických sil v interakcích jehla-tkáň19,20, studie časové dynamiky a geometrie zkosení jehly v ultrazvukově rozšířené FNAB (USeFNAB) jsou omezené.
Cílem této studie bylo prozkoumat vliv různých geometrií zkosení na činnost hrotu jehly řízenou ohybem jehly při ultrazvukových frekvencích.Konkrétně jsme zkoumali vliv injekčního média na vychýlení hrotu jehly po vpichu pro konvenční zkosení jehly (např. lancety), osově symetrické a asymetrické geometrie s jednoduchým zkosením (obr. pro usnadnění vývoje jehel USeFNAB pro různé účely, jako je selektivní sání přístup nebo jádra měkkých tkání.
Do této studie byly zahrnuty různé geometrie zkosení.(a) Lancety vyhovující normě ISO 7864:201636, kde \(\alpha\) je primární úhel zkosení, \(\theta\) je sekundární úhel natočení zkosení a \(\phi\) je sekundární úhel natočení zkosení v stupně , ve stupních (\(^\circ\)).(b) lineární asymetrické jednostupňové zkosení (nazývané „standardní“ v DIN 13097:201937) a (c) lineární osově symetrické (obvodové) jednostupňové zkosení.
Naším přístupem je nejprve modelovat změnu vlnové délky ohybu podél svahu pro konvenční lancetové, osově symetrické a asymetrické jednostupňové geometrie sklonu.Poté jsme vypočítali parametrickou studii, abychom prozkoumali vliv úhlu zkosení a délky trubky na mobilitu transportního mechanismu.To se provádí za účelem určení optimální délky pro výrobu prototypové jehly.Na základě simulace byly vyrobeny prototypy jehel a jejich rezonanční chování ve vzduchu, vodě a 10% (hm./obj.) balistické želatině bylo experimentálně charakterizováno měřením koeficientu odrazu napětí a výpočtem účinnosti přenosu výkonu, ze kterého byla odvozena pracovní frekvence. odhodlaný..Nakonec se vysokorychlostní zobrazování používá k přímému měření výchylky ohybové vlny na špičce jehly ve vzduchu a vodě a k odhadu elektrického výkonu přenášeného každým náklonem a geometrie účiníku výchylky (DPR) vstřikovaného vzduchu. střední.
Jak je znázorněno na obrázku 2a, použijte trubku č. 21 (0,80 mm vnější průměr, 0,49 mm vnitřní průměr, tloušťka stěny trubky 0,155 mm, standardní stěna podle specifikace v ISO 9626:201621) vyrobenou z nerezové oceli 316 (Youngův modul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), hustota 8070 kg/m\(^{3}\), Poissonův poměr 0,275).
Stanovení ohybové vlnové délky a ladění modelu konečných prvků (MKP) jehly a okrajových podmínek.(a) Určení délky úkosu (BL) a délky trubky (TL).(b) Trojrozměrný (3D) model konečných prvků (MKP) využívající harmonickou bodovou sílu \(\tilde{F}_y\vec{j}\) k vybuzení jehly na proximálním konci, vychýlení bodu a měření rychlosti na tip (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) pro výpočet mechanistické dopravní mobility.\(\lambda _y\) je definována jako ohybová vlnová délka spojená s vertikální silou \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Určete těžiště, plochu průřezu A a momenty setrvačnosti \(I_{xx}\) a \(I_{yy}\) kolem osy x respektive osy y.
Jak je znázorněno na Obr.2b,c, pro nekonečný (nekonečný) paprsek s plochou průřezu A a při velké vlnové délce ve srovnání s velikostí průřezu paprsku, ohybová (nebo ohybová) fázová rychlost \(c_{EI}\ ) je definován jako 22:
kde E je Youngův modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je úhlová frekvence buzení (rad/s), kde \( f_0 \ ) je lineární frekvence (1/s nebo Hz), I je moment setrvačnosti oblasti kolem osy zájmu \((\text {m}^{4})\) a \(m'=\ rho _0 A \) je hmotnost na jednotku délky (kg/m), kde \(\rho _0\) je hustota \((\text {kg/m}^{3})\) a A je kříž -průřez nosníku (rovina xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Protože v našem případě je působící síla rovnoběžná se svislou osou y, tj. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zajímá nás pouze moment setrvačnosti oblasti kolem horizontály x- osa, tj. \(I_{xx} \), takže:
U modelu konečných prvků (MKP) se předpokládá čisté harmonické posunutí (m), takže zrychlení (\(\text {m/s}^{2}\)) je vyjádřeno jako \(\částečné ^2 \vec { u}/ \ částečné t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), např. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) je trojrozměrný vektor posunutí definovaný v prostorových souřadnicích.Nahrazení posledně jmenovaného konečně deformovatelnou Lagrangiánskou formou zákona o rovnováze hybnosti23, podle jeho implementace v softwarovém balíku COMSOL Multiphysics (verze 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), dává:
Kde \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je operátor divergence tenzoru a \({\underline{\sigma}}}\) je druhý Piola-Kirchhoffův tenzor napětí (druhý řád, \(\ text { N /m}^{2}\)) a \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) je vektor síly tělesa (\(\text {N/m}^{3}\)) každého deformovatelného objemu a \(e^{j\phi }\) je fáze tělesná síla, má fázový úhel \(\ phi\) (rad).V našem případě je objemová síla tělesa nulová a náš model předpokládá geometrickou linearitu a malé čistě elastické deformace, tj. \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), kde \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) a \({\underline{ \varepsilon}}}\) – elastická deformace a celková deformace (bezrozměrná druhého řádu).Hookův konstitutivní izotropní tenzor pružnosti \(\podtržení {\podtržení {C))\) se získá pomocí Youngova modulu E(\(\text{N/m}^{2}\)) a je definován Poissonův poměr v, takže \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (čtvrtý řád).Výpočet napětí tedy bude \({\podtržení{\sigma}} := \podtržení{\podtržení{C}}:{\podtržení{\varepsilon}}\).
Výpočty byly provedeny s 10-uzlovými čtyřstěnnými prvky s velikostí prvku \(\le\) 8 μm.Jehla je modelována ve vakuu a hodnota přenosu mechanické pohyblivosti (ms-1 H-1) je definována jako \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, kde \(\tilde{v}_y\vec {j}\) je výstupní komplexní rychlost násadce a \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) je komplexní hnací síla umístěná na proximálním konci trubice, jak je znázorněno na obr. 2b.Transmisivní mechanická pohyblivost je vyjádřena v decibelech (dB) s použitím maximální hodnoty jako reference, tj. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Všechny MKP studie byly provedeny na frekvenci 29,75 kHz.
Konstrukce jehly (obr. 3) sestává z konvenční hypodermické jehly 21 gauge (katalogové číslo: 4665643, Sterican\(^\circledR\), o vnějším průměru 0,8 mm, délce 120 mm, vyrobené z AISI chromniklová nerezová ocel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Německo) umístěna proximálně plastová objímka Luer Lock z polypropylenu s odpovídající úpravou hrotu.Jehlová trubička je připájena k vlnovodu, jak je znázorněno na obr. 3b.Vlnovod byl vytištěn na 3D tiskárně z nerezové oceli (EOS Stainless Steel 316L na 3D tiskárně EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finsko) a poté připevněn k senzoru Langevin pomocí šroubů M4.Langevinův měnič se skládá z 8 piezoelektrických prstencových prvků se dvěma závažími na každém konci.
Čtyři typy hrotů (na obrázku), komerčně dostupná lanceta (L) a tři vyráběné osově symetrické jednostupňové úkosy (AX1–3) byly charakterizovány délkami zkosení (BL) 4, 1,2 a 0,5 mm.(a) Detailní záběr hotové špičky jehly.(b) Pohled shora na čtyři kolíky připájené k 3D tištěnému vlnovodu a poté připojené k Langevinovu senzoru pomocí šroubů M4.
Byly vyrobeny tři osově symetrické zkosené hroty (obr. 3) (TAs Machine Tools Oy) s délkami úkosu (BL, určené na obr. 2a) 4,0, 1,2 a 0,5 mm, což odpovídá \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) a 18\(^\circ\).Hmotnost vlnovodu a doteku je 3,4 ± 0,017 g (průměr ± SD, n = 4) pro úkos L a AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Německo) .Celková délka od špičky jehly ke konci plastové objímky je 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm pro zkosení L a AX1-3 na obrázku 3b.
U všech konfigurací jehly je délka od špičky jehly ke špičce vlnovodu (tj. oblast pájení) 4,3 cm a trubička jehly je orientována tak, aby zkosení směřovalo nahoru (tj. rovnoběžně s osou Y ).), jako na (obr. 2).
Vlastní skript v MATLABu (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) běžící na počítači (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) byl použit ke generování lineárního sinusového rozmítání od 25 do 35 kHz za 7 sekund, převeden na analogový signál digitálně-analogovým (DA) převodníkem (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Analogový signál \(V_0\) (0,5 Vp-p) byl poté zesílen speciálním vysokofrekvenčním (RF) zesilovačem (Mariachi Oy, Turku, Finsko).Klesající zesilovací napětí \({V_I}\) je vyvedeno z RF zesilovače s výstupní impedancí 50 \(\Omega\) do transformátoru zabudovaného do struktury jehly se vstupní impedancí 50 \(\Omega)\) Langevinův měnič (přední a zadní vícevrstvé piezoelektrické měniče, zatížené hmotou) se používají ke generování mechanických vln.Vlastní RF zesilovač je vybaven dvoukanálovým měřičem účiníku se stojatou vlnou (SWR), který dokáže detekovat dopadající \({V_I}\) a odražené zesílené napětí \(V_R\) přes analogově-digitální (AD) 300 kHz ) převodník (Analog Discovery 2).Budicí signál je na začátku a na konci amplitudově modulován, aby se zabránilo přetížení vstupu zesilovače přechodnými jevy.
Pomocí vlastního skriptu implementovaného v MATLABu, funkce frekvenční odezvy (AFC), tj. předpokládá lineární stacionární systém.Použijte také pásmovou propust 20 až 40 kHz, abyste ze signálu odstranili nežádoucí frekvence.S odkazem na teorii přenosového vedení je \(\tilde{H}(f)\) v tomto případě ekvivalentní koeficientu odrazu napětí, tj. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Jelikož výstupní impedance zesilovače \(Z_0\) odpovídá vstupní impedanci vestavěného transformátoru převodníku a koeficient odrazu elektrického výkonu \({P_R}/{P_I}\) je snížen na \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), pak je \(|\rho _{V}|^2\).V případě, že je požadována absolutní hodnota elektrického výkonu, vypočítejte dopadající \(P_I\) a odražený\(P_R\) výkon (W) tak, že vezmete střední kvadraturu (rms) hodnoty odpovídajícího napětí, např. pro přenosové vedení se sinusovým buzením, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, kde \(Z_0\) se rovná 50 \(\Omega\).Elektrický výkon dodaný do zátěže \(P_T\) (tj. vložené médium) lze vypočítat jako \(|P_I – P_R |\) (W RMS) a účinnost přenosu energie (PTE) lze definovat a vyjádřit jako procento (%) tedy dává 27:
Frekvenční odezva se pak použije k odhadu modálních frekvencí \(f_{1-3}\) (kHz) designu stylusu a odpovídající účinnosti přenosu energie, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) se odhaduje přímo z \(\text {PTE}_{1{-}3}\), z tabulky 1 frekvence \(f_{1-3}\) popsané v .
Metoda měření frekvenční odezvy (AFC) jehlicovité struktury.Dvoukanálové měření sinusového rozmítání25,38 se používá k získání funkce frekvenční odezvy \(\tilde{H}(f)\) a její impulsní odezvy H(t).\({\mathcal {F}}\) a \({\mathcal {F}}^{-1}\) označují numerickou zkrácenou Fourierovu transformaci a operaci inverzní transformace.\(\tilde{G}(f)\) znamená, že dva signály jsou násobeny ve frekvenční doméně, např. \(\tilde{G}_{XrX}\) znamená inverzní sken\(\tilde{X} r( f) )\) a signál poklesu napětí \(\tilde{X}(f)\).
Jak je znázorněno na Obr.5, vysokorychlostní kamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) vybavená makro objektivem (MP-E 65mm, \(f)/2,8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc .., Tokio, Japonsko) byly použity k záznamu ohybu hrotu jehly vystaveného ohybovému buzení (jednofrekvenční, spojitá sinusoida) o frekvenci 27,5–30 kHz.Pro vytvoření stínové mapy byl za úkos jehly umístěn chlazený prvek vysoce intenzivní bílé LED (číslo dílu: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Německo).
Čelní pohled na experimentální uspořádání.Hloubka se měří od povrchu média.Konstrukce jehly je upnuta a namontována na motorizovaný přenosový stůl.Použijte vysokorychlostní kameru s velkým zvětšením objektivu (5\(\times\)) k měření průhybu zkoseného hrotu.Všechny rozměry jsou v milimetrech.
Pro každý typ zkosení jehly jsme zaznamenali 300 snímků vysokorychlostní kamery 128 \(\x\) 128 pixelů, každý s prostorovým rozlišením 1/180 mm (\(\cca) 5 µm), s časovým rozlišením 310 000 snímků za sekundu.Jak je znázorněno na obrázku 6, každý snímek (1) je oříznut (2) tak, aby byl hrot v posledním řádku (dole) snímku, a poté je vypočítán histogram snímku (3), takže Canny prahy 1 a 2 lze určit.Poté použijte detekci hran Canny28(4) pomocí Sobelova operátoru 3 \(\times\) 3 a vypočítejte polohu pixelu nekavitační přepony (označené \(\mathbf {\times }\)) pro všech 300násobných kroků .Pro určení rozsahu průhybu na konci se vypočítá derivace (pomocí algoritmu centrální diference) (6) a identifikuje se rámec obsahující lokální extrémy (tj. vrchol) průhybu (7).Po vizuální kontrole nekavitující hrany byla vybrána dvojice snímků (nebo dva snímky oddělené polovičním časovým úsekem) (7) a změřena výchylka hrotu (označená \(\mathbf {\times} \ ) Výše uvedené bylo implementováno v Pythonu (v3.8, Python Software Foundation, python.org) pomocí algoritmu detekce hran OpenCV Canny (v4.5.1, open source knihovna počítačového vidění, opencv.org). elektrický výkon \ (P_T \) (W, rms) .
Vychýlení hrotu bylo měřeno pomocí série snímků odebraných z vysokorychlostní kamery při 310 kHz pomocí 7-krokového algoritmu (1-7) včetně rámování (1-2), detekce Canny hrany (3-4), hrana umístění pixelu výpočet (5) a jejich časové derivace (6) a nakonec odklon od vrcholu k vrcholu byly měřeny na vizuálně kontrolovaných párech snímků (7).
Měření byla provedena ve vzduchu (22,4-22,9 °C), deionizované vodě (20,8-21,5 °C) a balistické želatině 10 % (w/v) (19,7-23,0 °C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatina z hovězí a vepřové kosti pro balistickou analýzu typu I, Honeywell International, Severní Karolína, USA).Teplota byla měřena pomocí termočlánkového zesilovače typu K (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) a termočlánku typu K (Fluke 80PK-1 Bead Probe č. 3648 typ-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Z média Hloubka byla měřena od povrchu (nastaveno jako počátek osy z) pomocí vertikálního motorizovaného stolku osy z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litva) s rozlišením 5 µm.na krok.
Vzhledem k tomu, že velikost vzorku byla malá (n = 5) a nebylo možné předpokládat normalitu, byl použit dvouvýběrový dvoustranný Wilcoxonův rank sum test (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). pro porovnání množství rozptylu hrotu jehly pro různé úkosy.Na každý sklon byla 3 srovnání, takže byla použita Bonferroniho korekce s upravenou hladinou významnosti 0,017 a chybovostí 5 %.
Vraťme se nyní k obr.7.Při frekvenci 29,75 kHz je ohybová půlvlna (\(\lambda_y/2\)) jehly 21 gauge \(\přibližně) 8 mm.Jak se člověk přibližuje ke špičce, vlnová délka ohybu klesá podél šikmého úhlu.Na špičce \(\lambda _y/2\) \(\přibližně\) jsou kroky 3, 1 a 7 mm pro obvyklý kopinatý (a), asymetrický (b) a osově symetrický (c) sklon jedné jehly , resp.To znamená, že rozsah lancety je \(\přibližně) 5 mm (vzhledem k tomu, že dvě roviny lancety tvoří jeden bod29,30), asymetrické zkosení je 7 mm, asymetrické zkosení je 1 mm.Osově symetrické sklony (těžiště zůstává konstantní, takže podél sklonu se ve skutečnosti mění pouze tloušťka stěny potrubí).
Studium MKP a aplikace rovnic na frekvenci 29,75 kHz.(1) Při výpočtu variace půlvlny ohybu (\(\lambda_y/2\)) pro geometrie lancety (a), asymetrické (b) a osově symetrické (c) (jako na obr. 1a,b,c ).Průměrná hodnota \(\lambda_y/2\) lancety, asymetrického a osově symetrického zkosení byla 5,65, 5,17 a 7,52 mm, v tomto pořadí.Všimněte si, že tloušťka hrotu pro asymetrické a osově symetrické úkosy je omezena na \(\cca) 50 µm.
Špičková pohyblivost \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je optimální kombinací délky trubky (TL) a délky úkosu (BL) (obr. 8, 9).Pro konvenční lancetu, protože její velikost je pevná, je optimální TL \(\přibližně) 29,1 mm (obr. 8).Pro asymetrické a osově symetrické úkosy (obr. 9a, resp. b) zahrnovaly FEM studie BL od 1 do 7 mm, takže optimální TL byly od 26,9 do 28,7 mm (rozsah 1,8 mm) a od 27,9 do 29,2 mm (rozsah 1,3 mm), resp.Pro asymetrický sklon (obr. 9a) se optimální TL lineárně zvyšovala, dosáhla plató při BL 4 mm a poté prudce klesla z BL 5 na 7 mm.U osově symetrického úkosu (obr. 9b) se optimální TL lineárně zvyšovalo s rostoucí BL a nakonec se ustálilo na BL od 6 do 7 mm.Rozšířená studie osově symetrického náklonu (obr. 9c) odhalila odlišnou sadu optimálních TL při \(\cca) 35,1–37,1 mm.Pro všechny BL je vzdálenost mezi dvěma nejlepšími TL \(\cca\) 8 mm (ekvivalent \(\lambda_y/2\)).
Mobilita přenosu lancet na 29,75 kHz.Jehla byla pružně buzena na frekvenci 29,75 kHz a vibrace byly měřeny na špičce jehly a vyjádřeny jako velikost přenesené mechanické pohyblivosti (dB vzhledem k maximální hodnotě) pro TL 26,5-29,5 mm (v krocích po 0,1 mm) .
Parametrické studie MKP na frekvenci 29,75 kHz ukazují, že přenosová pohyblivost osově symetrického hrotu je méně ovlivněna změnou délky trubice než u jeho asymetrického protějšku.Studie délky úkosu (BL) a délky potrubí (TL) asymetrických (a) a osově symetrických (b, c) geometrií zkosení ve studii frekvenční domény pomocí MKP (okrajové podmínky jsou znázorněny na obr. 2).(a, b) TL se pohybovala od 26,5 do 29,5 mm (krok 0,1 mm) a BL 1–7 mm (krok 0,5 mm).(c) Rozšířené osově symetrické studie náklonu včetně TL 25–40 mm (v krocích po 0,05 mm) a BL 0,1–7 mm (v krocích po 0,1 mm), které ukazují, že \(\lambda_y/2\ ) musí splňovat požadavky hrotu.pohyblivé okrajové podmínky.
Konfigurace jehly má tři vlastní frekvence \(f_{1-3}\) rozdělené do oblastí nízkého, středního a vysokého režimu, jak je uvedeno v tabulce 1. Velikost PTE byla zaznamenána, jak je znázorněno na obr.10 a poté analyzovány na obr. 11. Níže jsou uvedena zjištění pro každou modální oblast:
Typické zaznamenané amplitudy okamžité účinnosti přenosu energie (PTE) získané pomocí sinusového buzení s rozmítanou frekvencí pro lancetu (L) a osově symetrické zkosení AX1-3 ve vzduchu, vodě a želatině v hloubce 20 mm.Jsou zobrazena jednostranná spektra.Naměřená frekvenční odezva (vzorkovaná při 300 kHz) byla filtrována dolní propustí a poté zmenšena faktorem 200 pro modální analýzu.Poměr signálu k šumu je \(\le\) 45 dB.Fáze PTE (fialové tečkované čáry) jsou zobrazeny ve stupních (\(^{\circ}\)).
Analýza modální odezvy (průměr ± standardní odchylka, n = 5) zobrazená na obr. 10 pro sklony L a AX1-3 ve vzduchu, vodě a 10% želatině (hloubka 20 mm), se třemi modálními oblastmi (nahoře) ( nízké, střední a vysoké) a jejich odpovídající modální frekvence\(f_{1-3 }\) (kHz), (průměrná) energetická účinnost \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Vypočteno pomocí ekvivalentů .(4) a (dole) plná šířka při polovičních maximálních měřeních \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Všimněte si, že měření šířky pásma bylo vynecháno, když byl registrován nízký PTE, tj. \(\text {FWHM}_{1}\) v případě sklonu AX2.Režim \(f_2\) byl shledán jako nejvhodnější pro srovnání výchylek svahů, protože vykazoval nejvyšší úroveň účinnosti přenosu energie (\(\text {PTE}_{2}\)), až 99 %.
První modální oblast: \(f_1\) nezávisí příliš na typu vloženého média, ale závisí na geometrii svahu.\(f_1\) klesá s klesající délkou úkosu (27,1, 26,2 a 25,9 kHz ve vzduchu pro AX1-3, v tomto pořadí).Regionální průměry \(\text {PTE}_{1}\) a \(\text {FWHM}_{1}\) jsou \(\approx\) 81 % a 230 Hz v tomto pořadí.\(\text {FWHM}_{1}\) má nejvyšší obsah želatiny v Lancetě (L, 473 Hz).Všimněte si, že \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 v želatině nebylo možné vyhodnotit kvůli nízké zaznamenané amplitudě FRF.
Druhá modální oblast: \(f_2\) závisí na typu vloženého média a úkosu.Průměrné hodnoty \(f_2\) jsou 29,1, 27,9 a 28,5 kHz ve vzduchu, vodě a želatině.Tento modální region také vykázal vysoký PTE 99 %, nejvyšší ze všech měřených skupin, s regionálním průměrem 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) má regionální průměr \(\přibližně\) 910 Hz.
Oblast třetího režimu: frekvence \(f_3\) závisí na typu média a úkosu.Průměrné hodnoty \(f_3\) jsou 32,0, 31,0 a 31,3 kHz ve vzduchu, vodě a želatině.Regionální průměr \(\text {PTE}_{3}\) byl \(\přibližně\) 74 %, což je nejnižší ze všech regionů.Regionální průměr \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\přibližně\) 1085 Hz, což je více než v prvním a druhém regionu.
Následující se odkazuje na Obr.12 a Tabulka 2. Lanceta (L) se nejvíce vychýlila (s vysokou významností pro všechny hroty, \(p<\) 0,017) ve vzduchu i ve vodě (obr. 12a), přičemž dosáhla nejvyšší DPR (až 220 µm/ W ve vzduchu). 12 a Tabulka 2. Lanceta (L) se nejvíce (s vysokou významností pro všechny hroty, \(p<\) 0,017) vychýlila ve vzduchu i ve vodě (obr. 12a), dosáhla nejvyšší DPR (až 220 µm/ W ve vzduchu). Следующее относится к рисунку 12 a таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше свсеЇио ( ю для всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигогая . Následující platí pro obrázek 12 a tabulku 2. Lanceta (L) se nejvíce vychýlila (s vysokou významností pro všechny hroty, \(p<\) 0,017) ve vzduchu i ve vodě (obr. 12a), přičemž dosáhla nejvyšší DPR .(až 220 μm/W ve vzduchu).Smt.Obrázek 12 a tabulka 2 níže.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性，\(p<\) 0,017 怼囼囎高DPR （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) má největší výchylku ve vzduchu a vodě (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) a dosáhl nejvyšší DPR (až 220 µm/W vzduch). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконех наконечнвиков), \(p>1<у\вов) воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт воздухе). Lancet (L) se nejvíce vychýlil (vysoká významnost pro všechny hroty, \(p<\) 0,017) ve vzduchu a vodě (obr. 12a), dosáhl nejvyšší DPR (až 220 µm/W ve vzduchu). Ve vzduchu se AX1, která měla vyšší BL, vychýlila výše než AX2–3 (s významem \(p<\) 0,017), zatímco AX3 (která měla nejnižší BL) se vychýlila více než AX2 s DPR 190 µm/W. Ve vzduchu se AX1, která měla vyšší BL, vychýlila výše než AX2–3 (s významem \(p<\) 0,017), zatímco AX3 (která měla nejnižší BL) se vychýlila více než AX2 s DPR 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостьюдст17) 0,0 мым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Ve vzduchu se AX1 s vyšším BL vychýlil výše než AX2–3 (s významností \(p<\) 0,017), zatímco AX3 (s nejnižším BL) se vychýlil více než AX2 s DPR 190 µm/W.在空气中，具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\) 慽圷巼党党会 AX3愼耎偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W . Ve vzduchu je výchylka AX1 s vyšším BL vyšší než výchylka AX2-3 (významně \(p<\) 0,017) a výchylka AX3 (s nejnižším BL) je větší než výchylka AX2, DPR je 190 um/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<с\), атомакиса) 0,0317 м низким BL) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Ve vzduchu se AX1 s vyšším BL vychyluje více než AX2-3 (významné, \(p<\) 0,017), zatímco AX3 (s nejnižším BL) vychyluje více než AX2 s DPR 190 µm/W.Při 20 mm vody se průhyb a PTE AX1–3 významně nelišily (\(p>\) 0,017).Hladiny PTE ve vodě (90,2–98,4 %) byly obecně vyšší než ve vzduchu (56–77,5 %) (obr. 12c) a během experimentu ve vodě byl zaznamenán fenomén kavitace (obr. 13, viz také další informace).
Velikost výchylky hrotu (průměr ± SD, n = 5) naměřená pro úkos L a AX1-3 ve vzduchu a vodě (hloubka 20 mm) ukazuje vliv změny geometrie úkosu.Měření byla získána pomocí kontinuálního jednofrekvenčního sinusového buzení.(a) Odchylka od vrcholu k vrcholu (\(u_y\vec {j}\)) na špičce, měřená při (b) jejich příslušných modálních frekvencích \(f_2\).(c) Účinnost přenosu výkonu (PTE, RMS, %) rovnice.(4) a (d) Účiník výchylky (DPR, µm/W) vypočítaný jako odchylka mezi špičkami a přenášený elektrický výkon \(P_T\) (Wrms).
Typický stínový graf vysokorychlostní kamery zobrazující odchylku od vrcholu k vrcholu (zelené a červené tečkované čáry) lancety (L) a osově symetrického hrotu (AX1–3) ve vodě (hloubka 20 mm) během půl cyklu.cyklu, při budicí frekvenci \(f_2\) (vzorkovací frekvence 310 kHz).Pořízený snímek ve stupních šedi má velikost 128×128 pixelů a velikost pixelu \(\cca\) 5 µm.Video naleznete v doplňujících informacích.
Modelovali jsme tedy změnu vlnové délky ohybu (obr. 7) a vypočítali přenosnou mechanickou pohyblivost pro kombinace délky trubky a zkosení (obr. 8, 9) pro konvenční lancetové, asymetrické a osově symetrické zkosení geometrických tvarů.Na základě posledně jmenovaného jsme odhadli optimální vzdálenost 43 mm (nebo \(\přibližně) 2,75\(\lambda _y\) při 29,75 kHz) od špičky ke svaru, jak je znázorněno na obr. 5, a vytvořili jsme tři osově symetrické úkosy s různou délkou úkosu.Poté jsme charakterizovali jejich frekvenční chování ve vzduchu, vodě a 10% (w/v) balistické želatině ve srovnání s konvenčními lancetami (obrázky 10, 11) a určili jsme režim nejvhodnější pro srovnání výchylky zkosení.Nakonec jsme změřili ohyb hrotu ohybovou vlnou ve vzduchu a vodě v hloubce 20 mm a kvantifikovali účinnost přenosu výkonu (PTE, %) a účiník výchylky (DPR, µm/W) vkládacího média pro každý úkos.hranatý typ (obr. 12).
Bylo prokázáno, že geometrie zkosení jehly ovlivňuje velikost vychýlení špičky jehly.Lanceta dosáhla nejvyšší výchylky a nejvyšší DPR ve srovnání s osově symetrickým úkosem s nižší průměrnou výchylkou (obr. 12).4 mm osově symetrické zkosení (AX1) s nejdelším zkosením dosáhlo statisticky významné maximální výchylky ve vzduchu ve srovnání s ostatními osově symetrickými jehlami (AX2–3) (\(p < 0,017\), tabulka 2), ale nebyl zde žádný významný rozdíl .pozorováno, když je jehla umístěna do vody.Neexistuje tedy žádná zřejmá výhoda delší délky úkosu, pokud jde o vrcholovou odchylku na špičce.S ohledem na to se zdá, že geometrie úkosu studovaná v této studii má větší vliv na průhyb než délka úkosu.To může být způsobeno tuhostí v ohybu, například v závislosti na celkové tloušťce ohýbaného materiálu a na konstrukci jehly.
V experimentálních studiích je velikost odražené ohybové vlny ovlivněna okrajovými podmínkami hrotu.Když je hrot jehly vložen do vody a želatiny, \(\text {PTE}_{2}\) je \(\přibližně\) 95 % a \(\text {PTE}_{ 2}\) je \ (\text {PTE}_{ 2}\) hodnoty jsou 73 % a 77 % pro (\text {PTE}_{1}\) a \(\text {PTE}_{3}\), respektive (obr. 11).To znamená, že maximální přenos akustické energie do licího média, tj. vody nebo želatiny, nastává při \(f_2\).Podobné chování bylo pozorováno v předchozí studii31 s použitím jednodušší konfigurace zařízení ve frekvenčním rozsahu 41-43 kHz, ve které autoři ukázali závislost koeficientu odrazu napětí na mechanickém modulu zalévacího média.Hloubka průniku32 a mechanické vlastnosti tkáně poskytují mechanické zatížení jehly, a proto se očekává, že ovlivní rezonanční chování UZEFNAB.Algoritmy sledování rezonance (např. 17, 18, 33) lze tedy použít k optimalizaci akustického výkonu dodávaného jehlou.
Simulace při vlnových délkách ohybu (obr. 7) ukazuje, že osově symetrický hrot je konstrukčně tužší (tj. tužší v ohybu) než lanceta a asymetrické zkosení.Na základě (1) a pomocí známého vztahu rychlost-frekvence odhadneme ohybovou tuhost na špičce jehly na \(\asi\) 200, 20 a 1500 MPa pro lancetu, asymetrickou a axiálně nakloněnou rovinu.To odpovídá \(\lambda_y\) z \(\přibližně\) 5,3, 1,7 a 14,2 mm, v tomto pořadí, při 29,75 kHz (obr. 7a–c).S ohledem na klinickou bezpečnost během USeFNAB by měl být posouzen vliv geometrie na strukturální tuhost nakloněné roviny34.
Studie parametrů úkosu ve vztahu k délce trubky (obr. 9) ukázala, že optimální rozsah přenosu byl vyšší pro asymetrické úkosy (1,8 mm) než pro osově symetrické úkosy (1,3 mm).Kromě toho je pohyblivost stabilní při \(\přibližně) od 4 do 4,5 mm a od 6 do 7 mm pro asymetrické a osově symetrické naklonění, v tomto pořadí (obr. 9a, b).Praktický význam tohoto objevu je vyjádřen ve výrobních tolerancích, například nižší rozsah optimální TL může znamenat, že je vyžadována větší přesnost délky.Mobilitní plató zároveň poskytuje větší toleranci pro volbu délky propadu při dané frekvenci bez výrazného dopadu na pohyblivost.
Studie zahrnuje následující omezení.Přímé měření vychýlení jehly pomocí detekce hran a vysokorychlostního zobrazování (obrázek 12) znamená, že jsme omezeni na opticky transparentní média, jako je vzduch a voda.Rádi bychom také upozornili, že jsme nepoužili experimenty k testování simulované přenosové mobility a naopak, ale použili FEM studie ke stanovení optimální délky pro výrobu jehel.S ohledem na praktická omezení je délka lancety od špičky k pouzdru \(\přibližně) o 0,4 cm delší než u ostatních jehel (AX1-3), viz obr.3b.To může ovlivnit modální odezvu konstrukce jehly.Navíc tvar a objem pájky na konci vlnovodu (viz obrázek 3) mohou ovlivnit mechanickou impedanci konstrukce kolíku, což může způsobit chyby v mechanické impedanci a ohybu.
Nakonec jsme ukázali, že experimentální geometrie zkosení ovlivňuje velikost výchylky v USeFNAB.Pokud by větší průhyb měl pozitivní vliv na účinek jehly na tkáň, jako je účinnost řezání po propíchnutí, pak lze v USeFNAB doporučit konvenční lancetu, protože poskytuje maximální průhyb při zachování přiměřené tuhosti strukturálního hrotu..Nedávná studie35 navíc ukázala, že větší vychýlení hrotu může zvýšit biologické účinky, jako je kavitace, což může usnadnit vývoj minimálně invazivních chirurgických aplikací.Vzhledem k tomu, že bylo prokázáno, že zvýšení celkového akustického výkonu zvyšuje počet biopsií v USeFNAB13, jsou zapotřebí další kvantitativní studie kvantity a kvality vzorku k posouzení detailních klinických přínosů studované geometrie jehly.
Čas odeslání: leden-06-2023