Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Drsniki, ki prikazujejo tri članke na diapozitiv.Uporabite gumba za nazaj in naprej, da se premikate po diapozitivih, ali pa gumbe za krmiljenje diapozitivov na koncu, da se premikate po vsakem diapozitivu.
Nedavno je bilo dokazano, da lahko uporaba ultrazvoka izboljša izkoristek tkiva pri aspiracijski biopsiji s fino iglo (USeFNAB) v primerjavi s konvencionalno aspiracijsko biopsijo s fino iglo (FNAB).Razmerje med poševno geometrijo in delovanjem konice igle še ni bilo raziskano.V tej študiji smo raziskali lastnosti resonance igle in amplitude odklona za različne geometrije poševnega naklona igle z različnimi dolžinami poševnega naklona.Z uporabo običajne lancete z rezom 3,9 mm je bil faktor odklona konice (DPR) 220 oziroma 105 µm/W v zraku in vodi.To je višje od osno simetrične 4 mm poševne konice, ki je dosegla DPR 180 oziroma 80 µm/W v zraku in vodi.Ta študija poudarja pomembnost razmerja med upogibno togostjo geometrije poševnega roba v kontekstu različnih pripomočkov za vstavljanje in tako lahko zagotovi vpogled v metode za nadzor delovanja rezanja po vbodu s spreminjanjem geometrije poševnega roba igle, kar je pomembno za USeFNAB.Aplikacija je pomembna.
Aspiracijska biopsija s tanko iglo (FNAB) je tehnika, pri kateri se z iglo pridobi vzorec tkiva, kadar obstaja sum na nenormalnost1,2,3.Izkazalo se je, da konice tipa Franseen zagotavljajo večjo diagnostično učinkovitost kot tradicionalne konice Lancet4 in Menghini5.Za povečanje verjetnosti ustreznega vzorca za histopatologijo so bili predlagani tudi osnosimetrični (tj. obodni) poševniki6.
Med biopsijo se z iglo skozi plasti kože in tkiva odkrije sumljiva patologija.Nedavne študije so pokazale, da lahko ultrazvočna aktivacija zmanjša prebodno silo, potrebno za dostop do mehkih tkiv7,8,9,10.Pokazalo se je, da geometrija poševnega roba igle vpliva na sile medsebojnega delovanja igle, npr. dokazano je, da imajo daljši poševni rob manjšo silo prodiranja v tkivo 11 .Predlagano je bilo, da lahko rezalna sila igle po tem, ko je igla predrla površino tkiva, tj. po vbodu, znaša 75 % skupne sile interakcije igle s tkivom12.Dokazano je, da ultrazvok (UZ) izboljša kakovost diagnostične biopsije mehkega tkiva v postpunkcijski fazi13.Druge metode za izboljšanje kakovosti biopsije kosti so bile razvite za vzorčenje trdega tkiva14,15, vendar niso poročali o rezultatih, ki bi izboljšali kakovost biopsije.Več študij je tudi ugotovilo, da se mehanski premik povečuje z naraščajočo pogonsko napetostjo ultrazvoka16,17,18.Čeprav obstaja veliko študij aksialnih (vzdolžnih) statičnih sil pri interakcijah igle in tkiva 19, 20, so študije o časovni dinamiki in geometriji poševnega roba igle pri ultrazvočno izboljšanem FNAB (USeFNAB) omejene.
Namen te študije je bil raziskati učinek različnih poševnih geometrij na delovanje konice igle, ki ga poganja upogib igle pri ultrazvočnih frekvencah.Zlasti smo raziskali učinek medija za injiciranje na odklon konice igle po vbodu za običajne poševne igle (npr. lancete), osno simetrične in asimetrične geometrije z enim poševnim poševnino (sl. za lažji razvoj igel USeFNAB za različne namene, kot je selektivno sesanje dostop ali mehkotkivna jedra.
V to študijo so bile vključene različne poševne geometrije.(a) Lancete, ki so v skladu s standardom ISO 7864:201636, kjer je \(\alpha\) primarni poševni kot, \(\theta\) sekundarni poševni kot rotacije in \(\phi\) sekundarni poševni kot rotacije v stopinje , v stopinjah (\(^\circ\)).(b) linearni asimetrični enostopenjski posnetki (imenovani "standard" v DIN 13097:201937) in (c) linearni osnosimetrični (obodni) enostopenjski posnetki.
Naš pristop je najprej modelirati spremembo upogibne valovne dolžine vzdolž naklona za običajne lancetne, osnosimetrične in asimetrične enostopenjske geometrije naklona.Nato smo izračunali parametrično študijo, da bi preučili učinek poševnega kota in dolžine cevi na mobilnost transportnega mehanizma.To se naredi za določitev optimalne dolžine za izdelavo prototipa igle.Na podlagi simulacije so bili izdelani prototipi igel in eksperimentalno karakterizirano njihovo resonančno obnašanje v zraku, vodi in 10 % (w/v) balistični želatini z merjenjem napetostnega odbojnega koeficienta in izračunom učinkovitosti prenosa moči, iz katere je bila delovna frekvenca odločen..Nazadnje se visokohitrostno slikanje uporablja za neposredno merjenje odklona upogibnega vala na konici igle v zraku in vodi ter za oceno električne moči, ki jo prenaša vsak nagib, in geometrijo faktorja moči odklona (DPR) vbrizganega srednje.
Kot je prikazano na sliki 2a, uporabite cev št. 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm debelina stene cevi, standardna stena, kot je določeno v ISO 9626:201621), izdelano iz nerjavečega jekla 316 (Youngov modul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), gostota 8070 kg/m\(^{3}\), Poissonovo razmerje 0,275).
Določitev upogibne valovne dolžine in nastavitev modela končnih elementov (FEM) igle in robnih pogojev.(a) Določitev poševne dolžine (BL) in dolžine cevi (TL).(b) Tridimenzionalni (3D) model končnih elementov (FEM), ki uporablja harmonično točkovno silo \(\tilde{F}_y\vec{j}\) za vzbujanje igle na proksimalnem koncu, odklon točke in merjenje hitrosti na konico (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) za izračun mehanične transportne mobilnosti.\(\lambda _y\) je definirana kot upogibna valovna dolžina, povezana z navpično silo \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Določite težišče, površino prečnega prereza A in vztrajnostna momenta \(I_{xx}\) in \(I_{yy}\) okoli osi x oziroma osi y.
Kot je prikazano na sl.2b,c, za neskončen (neskončen) žarek s površino preseka A in pri veliki valovni dolžini v primerjavi z velikostjo preseka žarka, upogibna (ali upogibna) fazna hitrost \(c_{EI}\ ) je opredeljen kot 22:
kjer je E Youngov modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je kotna frekvenca vzbujanja (rad/s), kjer \( f_0 \ ) je linearna frekvenca (1/s ali Hz), I je vztrajnostni moment območja okoli osi zanimanja \((\text {m}^{4})\) in \(m'=\ rho _0 A \) je masa na enoto dolžine (kg/m), kjer je \(\rho _0\) gostota \((\text {kg/m}^{3})\) in A je križ -predelna površina žarka (ravnina xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Ker je v našem primeru uporabljena sila vzporedna z navpično osjo y, tj \(\tilde{F}_y\vec {j}\), nas zanima samo vztrajnostni moment območja okoli vodoravne x- osi, tj. \(I_{xx} \), zato:
Za model končnih elementov (FEM) se predpostavlja čisti harmonični premik (m), zato je pospešek (\(\text {m/s}^{2}\)) izražen kot \(\partial ^2 \vec { u}/ \ delni t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), npr. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) je tridimenzionalni vektor premika, definiran v prostorskih koordinatah.Zamenjava slednjega s končno deformabilno Lagrangevo obliko zakona ravnotežja gibalne količine23 glede na njegovo implementacijo v programskem paketu COMSOL Multiphysics (različice 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, ZDA) daje:
Kjer je \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je operator tenzorske divergence in \({\underline{\sigma}}\) je drugi Piola-Kirchhoffov napetostni tenzor (drugega reda, \(\ besedilo { N /m}^{2}\)) in \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) je vektor telesne sile (\(\text {N/m}^{3}\)) vsake deformabilne prostornine in \(e^{j\phi }\) je faza telesna sila, ima fazni kot \(\ phi\) (rad).V našem primeru je prostorninska sila telesa enaka nič, naš model pa predpostavlja geometrijsko linearnost in majhne čisto elastične deformacije, tj \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), kjer \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) in \({\underline{ \varepsilon}}\) – elastična deformacija oziroma popolna deformacija (brezdimenzijska drugega reda).Hookov konstitutivni izotropni tenzor elastičnosti \(\underline {\underline {C))\) dobimo z uporabo Youngovega modula E(\(\text{N/m}^{2}\)) in definiramo Poissonovo razmerje v, tako da je \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (četrti vrstni red).Tako izračun napetosti postane \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Izračuni so bili izvedeni s tetraedrskimi elementi z 10 vozlišči z velikostjo elementa \(\le\) 8 µm.Igla je modelirana v vakuumu in vrednost prenosa mehanske mobilnosti (ms-1 H-1) je definirana kot \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, kjer je \(\tilde{v}_y\vec {j}\) izhodna kompleksna hitrost ročnika in \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) je kompleksna gonilna sila, ki se nahaja na proksimalnem koncu cevi, kot je prikazano na sliki 2b.Transmisivna mehanska mobilnost je izražena v decibelih (dB) z uporabo največje vrednosti kot reference, tj \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Vse študije FEM so bile izvedene pri frekvenci 29,75 kHz.
Zasnova igle (slika 3) je sestavljena iz običajne hipodermične igle kalibra 21 (kataloška številka: 4665643, Sterican\(^\obkroženoR\), z zunanjim premerom 0,8 mm, dolžino 120 mm, izdelano iz AISI krom-nikelj nerjaveče jeklo 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Nemčija) je proksimalno postavil plastično tulko Luer Lock iz polipropilena z ustrezno modifikacijo konice.Igelna cev je spajkana na valovod, kot je prikazano na sliki 3b.Valovod je bil natisnjen na 3D-tiskalniku iz nerjavečega jekla (EOS Stainless Steel 316L na 3D-tiskalniku EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finska) in nato pritrjen na senzor Langevin z vijaki M4.Langevinov pretvornik je sestavljen iz 8 piezoelektričnih obročastih elementov z dvema utežmama na vsakem koncu.
Štiri vrste konic (na sliki), komercialno dostopna lanceta (L) in tri proizvedene osnosimetrične enostopenjske poševnice (AX1–3) so bile označene z dolžinami poševnin (BL) 4, 1,2 oziroma 0,5 mm.(a) Bližnji posnetek končne konice igle.(b) Pogled od zgoraj na štiri zatiče, spajkane na 3D natisnjen valovod in nato povezane s senzorjem Langevin z vijaki M4.
Tri osnosimetrične poševne konice (slika 3) (TAs Machine Tools Oy) so bile izdelane z dolžinami poševnikov (BL, določeno na sliki 2a) 4,0, 1,2 in 0,5 mm, kar ustreza \(\približno\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) in 18\(^\circ\).Masi valovoda in tipala sta 3,4 ± 0,017 g (povprečje ± SD, n = 4) za poševnino L oziroma AX1–3 (Quintix\(^\obkroženoR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Nemčija).Skupna dolžina od konice igle do konca plastičnega tulca je 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm za poševnino L oziroma AX1-3 na sliki 3b.
Pri vseh konfiguracijah igle je dolžina od konice igle do konice valovoda (tj. območje spajkanja) 4,3 cm, cev igle pa je usmerjena tako, da je rob obrnjen navzgor (tj. vzporedno z osjo Y ).), kot na (sl. 2).
Skript po meri v MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, ZDA), ki se izvaja na računalniku (Latitude 7490, Dell Inc., Teksas, ZDA), je bil uporabljen za generiranje linearnega sinusnega premika od 25 do 35 kHz v 7 sekundah, pretvori v analogni signal z digitalno-analognim (DA) pretvornikom (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, ZDA).Analogni signal \(V_0\) (0,5 Vp-p) je bil nato ojačan z namenskim radiofrekvenčnim (RF) ojačevalnikom (Mariachi Oy, Turku, Finska).Padajoča ojačevalna napetost \({V_I}\) je na izhodu iz RF ojačevalnika z izhodno impedanco 50 \(\Omega\) v transformator, vgrajen v strukturo igle z vhodno impedanco 50 \(\Omega)\) Langevinov pretvornik (sprednji in zadnji večplastni piezoelektrični pretvornik, obremenjen z maso) se uporablja za ustvarjanje mehanskih valov.Prilagojeni RF ojačevalnik je opremljen z dvokanalnim merilnikom faktorja moči stoječega vala (SWR), ki lahko zazna incident \({V_I}\) in odbito ojačano napetost \(V_R\) prek 300 kHz analogno-digitalnega (AD ) pretvornik (Analog Discovery 2).Vzbujevalni signal je amplitudno moduliran na začetku in na koncu, da se prepreči preobremenitev vhoda ojačevalnika s prehodnimi pojavi.
Z uporabo skripta po meri, implementiranega v MATLAB, funkcija frekvenčnega odziva (AFC), tj. predpostavlja linearni stacionarni sistem.Uporabite tudi pasovni filter od 20 do 40 kHz, da odstranite vse neželene frekvence iz signala.Sklicujoč se na teorijo prenosnega voda je \(\tilde{H}(f)\) v tem primeru enakovreden napetostnemu odbojnemu koeficientu, tj. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Ker izhodna impedanca ojačevalnika \(Z_0\) ustreza vhodni impedanci vgrajenega transformatorja pretvornika, koeficient refleksije električne energije \({P_R}/{P_I}\) pa se zmanjša na \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), potem je \(|\rho _{V}|^2\).V primeru, ko je zahtevana absolutna vrednost električne moči, izračunajte vpadno \(P_I\) in odbito\(P_R\) moč (W) tako, da vzamete povprečno kvadratno (rms) vrednost ustrezne napetosti, na primer, za prenosni vod s sinusnim vzbujanjem \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, kjer je \(Z_0\) enako 50 \(\Omega\).Električno moč, dovedeno obremenitvi \(P_T\) (tj. vstavljenemu mediju), je mogoče izračunati kot \(|P_I – P_R |\) (W RMS), učinkovitost prenosa moči (PTE) pa je mogoče opredeliti in izraziti kot odstotek (%) tako daje 27:
Frekvenčni odziv se nato uporabi za oceno modalnih frekvenc \(f_{1-3}\) (kHz) zasnove pisala in ustrezne učinkovitosti prenosa moči, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) je ocenjena neposredno iz \(\text {PTE}_{1{-}3}\), iz tabele 1 frekvence \(f_{1-3}\), opisane v .
Metoda za merjenje frekvenčnega odziva (AFC) iglaste strukture.Za pridobitev funkcije frekvenčnega odziva \(\tilde{H}(f)\) in njenega impulznega odziva H(t) se uporablja dvokanalna meritev s pometnim sinusom25,38.\({\mathcal {F}}\) in \({\mathcal {F}}^{-1}\) označujeta numerično okrnjeno Fourierjevo transformacijo oziroma operacijo inverzne transformacije.\(\tilde{G}(f)\) pomeni, da se dva signala pomnožita v frekvenčni domeni, npr. \(\tilde{G}_{XrX}\) pomeni inverzno skeniranje\(\tilde{X} r( f )\) in signal padca napetosti \(\tilda{X}(f)\).
Kot je prikazano na sl.5, visokohitrostni fotoaparat (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, ZDA), opremljen z makro objektivom (MP-E 65 mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokio, Japonska) so bili uporabljeni za snemanje odklona konice igle, ki je bila izpostavljena upogibnemu vzbujanju (ena frekvenca, neprekinjen sinusoid) pri frekvenci 27,5–30 kHz.Da bi ustvarili zemljevid senc, je bil ohlajen element visokointenzivne bele LED (številka dela: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Nemčija) nameščen za poševnino igle.
Pogled od spredaj na eksperimentalno postavitev.Globina se meri od površine medija.Struktura igle je vpeta in nameščena na motorizirano prenosno mizo.Za merjenje upogiba poševne konice uporabite visokohitrostno kamero z lečo z visoko povečavo (5\(\krat\)).Vse mere so v milimetrih.
Za vsako vrsto poševnega roba igle smo posneli 300 sličic kamere visoke hitrosti s 128 \(\x\) 128 slikovnimi pikami, vsaka s prostorsko ločljivostjo 1/180 mm (\(\približno) 5 µm), s časovno ločljivostjo 310.000 sličic na sekundo.Kot je prikazano na sliki 6, je vsak okvir (1) obrezan (2), tako da je konica v zadnji vrstici (spodaj) okvira, nato pa se izračuna histogram slike (3), tako da pragovi Canny 1 in 2 je mogoče določiti.Nato uporabite zaznavanje robov Canny28(4) z operatorjem Sobel 3 \(\times\) 3 in izračunajte položaj slikovnih pik nekavitacijske hipotenuze (označene z \(\mathbf {\times }\)) za vse 300-kratne korake .Za določitev razpona upogiba na koncu se izračuna odvod (z uporabo algoritma centralne razlike) (6) in identificira okvir, ki vsebuje lokalne ekstreme (tj. vrh) upogiba (7).Po vizualnem pregledu nekavitacijskega roba je bil izbran par okvirjev (ali dva okvirja, ločena s polovico časovnega obdobja) (7) in izmerjena deformacija konice (označena z \(\mathbf {\times} \ ). Zgornje je bilo izvedeno v Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) z uporabo algoritma za zaznavanje robov OpenCV Canny (v4.5.1, odprtokodna knjižnica računalniškega vida, opencv.org električna moč \ (P_T \) (W, rms). .
Upogibanje konice je bilo izmerjeno z nizom sličic, posnetih iz hitre kamere pri 310 kHz z uporabo 7-stopenjskega algoritma (1-7), vključno z okvirjanjem (1-2), zaznavanjem robov Canny (3-4), robom lokacije pikslov na vizualno pregledanih parih okvirjev (7) so bili izmerjeni izračun (5) in njihovi časovni odvodi (6) ter končno upogib konice od vrha do vrha.
Meritve so bile opravljene na zraku (22,4–22,9 °C), deionizirani vodi (20,8–21,5 °C) in balistični želatini 10 % (m/v) (19,7–23,0 °C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatina iz govejih in svinjskih kosti za balistično analizo tipa I, Honeywell International, Severna Karolina, ZDA).Temperatura je bila izmerjena z ojačevalnikom s termočlenom tipa K (AD595, Analog Devices Inc., MA, ZDA) in termočlenom tipa K (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, ZDA).Iz medija Globina je bila izmerjena od površine (nastavljene kot izhodišče osi z) z uporabo navpične motorizirane mize z osi (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilna, Litva) z ločljivostjo 5 µm.na korak.
Ker je bila velikost vzorca majhna (n = 5) in ni bilo mogoče domnevati normalnosti, je bil uporabljen dvovzorčni dvostranski Wilcoxonov test vsote rangov (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). za primerjavo količine variance konice igle za različne poševnine.Na naklon so bile 3 primerjave, zato je bil uporabljen Bonferronijev popravek s prilagojeno stopnjo pomembnosti 0,017 in stopnjo napake 5 %.
Pojdimo zdaj k sliki 7.Pri frekvenci 29,75 kHz je upogibni polval (\(\lambda_y/2\)) igle kalibra 21 \(\približno) 8 mm.Ko se približa konici, se upogibna valovna dolžina zmanjša vzdolž poševnega kota.Na konici \(\lambda _y/2\) \(\približno\) so koraki po 3, 1 in 7 mm za običajni suličasti (a), asimetrični (b) in osnosimetrični (c) naklon posamezne igle , oz.To torej pomeni, da je razpon lancete \(\približno) 5 mm (zaradi dejstva, da obe ravnini lancete tvorita eno samo točko29,30), asimetrični poševnik je 7 mm, asimetrični poševnik je 1 mm. mm.Osnosimetrični nagibi (težišče ostaja konstantno, tako da se vzdolž nagiba dejansko spreminja le debelina stene cevi).
FEM študije in uporaba enačb pri frekvenci 29,75 kHz.(1) Pri izračunu variacije upogibnega polvala (\(\lambda_y/2\)) za lancetno (a), asimetrično (b) in osno simetrično (c) poševno geometrijo (kot na slikah 1a,b,c ) .Povprečna vrednost \(\lambda_y/2\) lancetne, asimetrične in osnosimetrične poševnine je bila 5,65, 5,17 oziroma 7,52 mm.Upoštevajte, da je debelina konice za asimetrične in osnosimetrične poševnine omejena na \(\približno) 50 µm.
Najvišja mobilnost \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je optimalna kombinacija dolžine cevi (TL) in dolžine poševnine (BL) (sliki 8, 9).Ker je velikost običajne lancete fiksna, je optimalna TL \(\približno) 29,1 mm (slika 8).Za asimetrične in osno simetrične poševnine (sl. 9a, b) so študije FEM vključevale BL od 1 do 7 mm, tako da je bil optimalni TL od 26,9 do 28,7 mm (razpon 1,8 mm) in od 27,9 do 29,2 mm (razpon 1,3 mm).Za asimetrični naklon (sl. 9a) se je optimalni TL povečal linearno, dosegel plato pri BL 4 mm in se nato močno zmanjšal z BL 5 na 7 mm.Za osno simetrično poševnino (sl. 9b) se je optimalni TL povečal linearno z naraščanjem BL in končno stabiliziral pri BL s 6 na 7 mm.Razširjena študija osnosimetričnega nagiba (slika 9c) je razkrila drugačen niz optimalnih TL pri \(\približno) 35,1–37,1 mm.Za vse BL je razdalja med dvema najboljšima TL \(\približno\) 8 mm (enakovredno \(\lambda_y/2\)).
Mobilnost prenosa lancete pri 29,75 kHz.Igla je bila prožno vzbujena pri frekvenci 29,75 kHz, vibracije pa so bile izmerjene na konici igle in izražene kot količina prenesene mehanske gibljivosti (dB glede na največjo vrednost) za TL 26,5–29,5 mm (v korakih po 0,1 mm) .
Parametrične študije FEM pri frekvenci 29,75 kHz kažejo, da sprememba dolžine cevi manj vpliva na mobilnost prenosa osnosimetrične konice kot na njeno asimetrično dvojnico.Študije dolžine poševnice (BL) in dolžine cevi (TL) asimetričnih (a) in osnosimetričnih (b, c) geometrij poševnic v študiji frekvenčne domene z uporabo FEM (robni pogoji so prikazani na sliki 2).(a, b) TL je bil v razponu od 26,5 do 29,5 mm (korak 0,1 mm) in BL 1–7 mm (korak 0,5 mm).(c) Razširjene osnosimetrične študije nagiba, vključno s TL 25–40 mm (v korakih po 0,05 mm) in BL 0,1–7 mm (v korakih po 0,1 mm), ki kažejo, da mora \(\lambda_y/2\ ) izpolnjevati zahteve konice.premikajoči se robni pogoji.
Konfiguracija igle ima tri lastne frekvence \(f_{1-3}\), razdeljene na območja nizkega, srednjega in visokega načina, kot je prikazano v tabeli 1. Velikost PTE je bila zabeležena, kot je prikazano na sl.10 in nato analizirani na sliki 11. Spodaj so ugotovitve za vsako modalno področje:
Tipične zabeležene amplitude trenutnega izkoristka prenosa moči (PTE), dobljene s sinusnim vzbujanjem s pokrito frekvenco za lanceto (L) in osno simetrično poševnico AX1-3 v zraku, vodi in želatini na globini 20 mm.Prikazani so enostranski spektri.Izmerjeni frekvenčni odziv (vzorčen pri 300 kHz) je bil nizkopasovno filtriran in nato zmanjšan za faktor 200 za modalno analizo.Razmerje med signalom in šumom je \(\le\) 45 dB.Faze PTE (vijolične pikčaste črte) so prikazane v stopinjah (\(^{\circ}\)).
Analiza modalnega odziva (srednja vrednost ± standardni odklon, n = 5), prikazana na sliki 10, za naklona L in AX1-3, v zraku, vodi in 10 % želatine (globina 20 mm), s (zgoraj) tremi modalnimi regijami ( nizka, srednja in visoka) in njihove ustrezne modalne frekvence\(f_{1-3 }\) (kHz), (povprečna) energijska učinkovitost \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Izračunano z uporabo ekvivalentov .(4) in (spodaj) polna širina pri pol največjih meritvah \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Upoštevajte, da je bila meritev pasovne širine preskočena, ko je bil registriran nizek PTE, tj \(\text {FWHM}_{1}\) v primeru naklona AX2.Ugotovljeno je bilo, da je način \(f_2\) najprimernejši za primerjavo uklonov naklona, ​​saj je pokazal najvišjo stopnjo učinkovitosti prenosa moči (\(\text {PTE}_{2}\)), do 99 %.
Prvo modalno območje: \(f_1\) ni veliko odvisno od vrste vstavljenega medija, ampak je odvisno od geometrije naklona.\(f_1\) se zmanjšuje z manjšo dolžino poševnine (27,1, 26,2 oziroma 25,9 kHz v zraku za AX1-3).Regionalna povprečja \(\text {PTE}_{1}\) in \(\text {FWHM}_{1}\) sta \(\približno\) 81 % oziroma 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) ima največjo vsebnost želatine v Lancetu (L, 473 Hz).Upoštevajte, da \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 v želatini ni bilo mogoče ovrednotiti zaradi nizke zabeležene amplitude FRF.
Drugo modalno območje: \(f_2\) je odvisno od vrste vstavljenega medija in poševnine.Povprečne vrednosti \(f_2\) so 29,1, 27,9 in 28,5 kHz v zraku, vodi in želatini.Ta modalna regija je prav tako pokazala visok PTE 99 %, kar je najvišje med vsemi izmerjenimi skupinami, z regionalnim povprečjem 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) ima regionalno povprečje \(\približno\) 910 Hz.
Območje tretjega načina: frekvenca \(f_3\) je odvisna od vrste medija in poševnine.Povprečne vrednosti \(f_3\) so 32,0, 31,0 in 31,3 kHz v zraku, vodi in želatini.Regionalno povprečje \(\text {PTE}_{3}\) je bilo \(\približno\) 74 %, kar je najnižje v vseh regijah.Regionalno povprečje \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\približno\) 1085 Hz, kar je višje od prve in druge regije.
       Naslednje se nanaša na sl.12 in Tabela 2. Lanceta (L) se je najbolj upognila (z visoko signifikantnostjo za vse konice, \(p<\) 0,017) tako v zraku kot v vodi (slika 12a), pri čemer je dosegla najvišjo DPR (do 220 µm/ W v zraku). 12 in Tabela 2. Lanceta (L) se je najbolj upognila (z visoko signifikantnostjo za vse konice, \(p<\) 0,017) tako v zraku kot v vodi (slika 12a), pri čemer je dosegla najvišjo DPR (do 220 µm/ W v zraku). Naslednje se nanaša na sliko 12 in tabelo 2. Lancet (L) je bil odklonjen bolj vsega (z visoko pomembnostjo za vse nakonečnike, \(p<\) 0,017) kot v zraku, tako in v vodi (ris. 12a), dosežena najvišja DPR . Naslednje velja za sliko 12 in tabelo 2. Lanceta (L) se je najbolj odklonila (z visoko pomembnostjo za vse konice, \(p<\) 0,017) tako v zraku kot v vodi (slika 12a), pri čemer je dosegla najvišjo DPR.(do 220 μm/W v zraku).Smt.Slika 12 in tabela 2 spodaj.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性，\(p<\) 0,017）（图12a），实现最高DPR （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) ima največjo deformacijo v zraku in vodi (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) in je dosegel najvišjo DPR (do 220 µm/W v zrak). Lancet (L) se je odklonil bolj vsega (visoka pomembnost za vse nakonečnike, \(p<\) 0,017) v zraku in vodi (ris. 12a), dosežena največja DPR (do 220 mkm/Vt v zraku). Lanceta (L) se je najbolj odklonila (visoka pomembnost za vse konice, \(p<\) 0,017) v zraku in vodi (slika 12a), pri čemer je dosegla najvišjo DPR (do 220 µm/W v zraku). V zraku se je AX1, ki je imel višji BL, odklonil višje od AX2–3 (s signifikantnostjo \(p<\) 0,017), medtem ko se je AX3 (ki je imel najnižji BL) odklonil več kot AX2 z DPR 190 µm/W. V zraku se je AX1, ki je imel višji BL, odklonil višje od AX2–3 (s signifikantnostjo \(p<\) 0,017), medtem ko se je AX3 (ki je imel najnižji BL) odklonil več kot AX2 z DPR 190 µm/W. V zraku se je AX1 z najvišjim BL odklonil višje, kot AX2–3 (s pomembnostjo \(p<\) 0,017), medtem ko je bil AX3 (z najnižjim BL) odklonjen več kot AX2 z DPR 190 mkm/Vt. V zraku se je AX1 z višjim BL odklonil višje od AX2–3 (s signifikantnostjo \(p<\) 0,017), medtem ko se je AX3 (z najnižjim BL) odklonil več kot AX2 z DPR 190 µm/W.在空气中，具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\) 0,017，而AX3(具有最低BL）的偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W . V zraku je deformacija AX1 z višjim BL večja od deformacije AX2-3 (značilno, \(p<\) 0,017), deformacija AX3 (z najnižjo BL) pa je večja od deformacije AX2, DPR je 190 µm/W. V zraku se AX1 z najvišjim BL odkloni bolj kot AX2-3 (značajno, \(p<\) 0,017), medtem ko se AX3 (z najnižjim BL) odkloni bolj kot AX2 z DPR 190 mkm/Vt. V zraku se AX1 z višjim BL odkloni bolj kot AX2-3 (pomembno, \(p<\) 0,017), medtem ko AX3 (z najnižjim BL) odkloni več kot AX2 z DPR 190 μm/W.Pri 20 mm vode se upogib in PTE AX1–3 nista bistveno razlikovala (\(p>\) 0,017).Ravni PTE v vodi (90,2–98,4 %) so bile na splošno višje kot v zraku (56–77,5 %) (slika 12c), med poskusom v vodi pa je bil opažen pojav kavitacije (slika 13, glej tudi dodatne informacije).
Količina upogiba konice (srednja vrednost ± SD, n = 5), izmerjena za poševnino L in AX1-3 v zraku in vodi (globina 20 mm), kaže učinek spreminjanja geometrije poševnine.Meritve so bile pridobljene z neprekinjenim enofrekvenčnim sinusnim vzbujanjem.(a) Odklon od vrha do vrha (\(u_y\vec {j}\)) na konici, izmerjen pri (b) njihovih ustreznih modalnih frekvencah \(f_2\).(c) Učinkovitost prenosa moči (PTE, RMS, %) enačbe.(4) in (d) Faktor odklonske moči (DPR, µm/W), izračunan kot deviacija od vrha do vrha in prenesena električna moč \(P_T\) (Wrms).
Tipičen diagram sence za visokohitrostno kamero, ki prikazuje odstopanje od vrha do vrha (zelene in rdeče pikčaste črte) lancete (L) in osno simetrične konice (AX1–3) v vodi (globina 20 mm) v pol cikla.cikla, pri frekvenci vzbujanja \(f_2\) (frekvenca vzorčenja 310 kHz).Zajeta slika v sivinah ima velikost 128 × 128 slikovnih pik in velikost slikovnih pik \(\približno\) 5 µm.Video najdete v dodatnih informacijah.
Tako smo modelirali spremembo upogibne valovne dolžine (slika 7) in izračunali prenosljivo mehansko gibljivost za kombinacije dolžine cevi in ​​posnetja (slika 8, 9) za običajne lancetaste, asimetrične in osnosimetrične posnetke geometrijskih oblik.Na podlagi slednjega smo ocenili optimalno razdaljo 43 mm (ali \(\približno) 2,75\(\lambda _y\) pri 29,75 kHz) od konice do zvara, kot je prikazano na sliki 5, in naredili tri osnosimetrične poševniki z različnimi dolžinami poševnikov.Nato smo opisali njihovo frekvenčno obnašanje v zraku, vodi in 10 % (w/v) balistični želatini v primerjavi z običajnimi lancetami (sliki 10, 11) in določili način, ki je najprimernejši za primerjavo poševnega odklona.Nazadnje smo izmerili upogib konice z upogibnim valom v zraku in vodi na globini 20 mm ter kvantificirali učinkovitost prenosa moči (PTE, %) in faktor upogibne moči (DPR, µm/W) vstavljenega medija za vsako poševnico.kotni tip (slika 12).
Dokazano je, da geometrija poševnega roba igle vpliva na količino upogiba konice igle.Lanceta je dosegla največjo deformacijo in največjo DPR v primerjavi z osno simetrično poševnino z nižjim povprečnim deformacijo (slika 12).4 mm osnosimetrična poševnica (AX1) z najdaljšo poševnino je dosegla statistično značilen največji odklon v zraku v primerjavi z drugimi osnosimetričnimi iglami (AX2–3) (\(p < 0,017\), tabela 2), vendar ni bilo pomembne razlike .opazimo, ko iglo postavimo v vodo.Tako ni očitne prednosti daljše poševne dolžine v smislu najvišjega upogiba na konici.Ob upoštevanju tega se zdi, da ima geometrija poševnine, preučevane v tej študiji, večji učinek na upogib kot dolžina poševnine.To je lahko posledica upogibne togosti, na primer odvisno od skupne debeline materiala, ki se upogne, in zasnove igle.
V eksperimentalnih študijah na velikost odbitega upogibnega vala vplivajo robni pogoji konice.Ko je konica igle vstavljena v vodo in želatino, je \(\text {PTE}_{2}\) \(\približno\) 95 % in \(\text {PTE}_{ 2}\) \ (\text {PTE}_{ 2}\) sta vrednosti 73 % in 77 % za (\text {PTE}_{1}\) in \(\text {PTE}_{3}\), oziroma (slika 11).To pomeni, da se največji prenos akustične energije na medij za ulivanje, tj. vodo ali želatino, zgodi pri \(f_2\).Podobno vedenje je bilo opaženo v prejšnji študiji31 z uporabo enostavnejše konfiguracije naprave v frekvenčnem območju 41-43 kHz, v kateri so avtorji pokazali odvisnost napetostnega odbojnega koeficienta od mehanskega modula vdelanega medija.Globina penetracije32 in mehanske lastnosti tkiva zagotavljajo mehansko obremenitev igle, zato se pričakuje, da bodo vplivale na resonančno obnašanje UZEFNAB.Tako je mogoče uporabiti algoritme resonančnega sledenja (npr. 17, 18, 33) za optimizacijo akustične moči, ki se prenaša skozi iglo.
Simulacija pri upogibnih valovnih dolžinah (slika 7) kaže, da je osnosimetrična konica strukturno bolj toga (tj. bolj toga pri upogibanju) kot lanceta in asimetrična poševnica.Na podlagi (1) in z uporabo znanega razmerja med hitrostjo in frekvenco ocenimo upogibno togost na konici igle kot \(\približno\) 200, 20 in 1500 MPa za lancetno, asimetrično in aksialno nagnjeno ravnino.To ustreza \(\lambda_y\) \(\približno\) 5,3, 1,7 oziroma 14,2 mm pri 29,75 kHz (sl. 7a–c).Glede na klinično varnost med USeFNAB je treba oceniti učinek geometrije na strukturno togost nagnjene ravnine34.
Študija parametrov poševnine glede na dolžino cevi (slika 9) je pokazala, da je optimalno območje prenosa večje pri asimetričnem poševniku (1,8 mm) kot pri osnosimetričnem poševniku (1,3 mm).Poleg tega je mobilnost stabilna pri \(\približno) od 4 do 4,5 mm oziroma od 6 do 7 mm za asimetrične oziroma osnosimetrične nagibe (sl. 9a, b).Praktični pomen tega odkritja se izraža v proizvodnih tolerancah, na primer nižji razpon optimalne TL lahko pomeni, da je potrebna večja natančnost dolžine.Hkrati plato mobilnosti zagotavlja večjo toleranco za izbiro dolžine padca pri določeni frekvenci brez pomembnega vpliva na mobilnost.
Študija vključuje naslednje omejitve.Neposredno merjenje upogiba igle z zaznavanjem robov in hitrim slikanjem (slika 12) pomeni, da smo omejeni na optično prozorne medije, kot sta zrak in voda.Prav tako želimo poudariti, da nismo uporabili eksperimentov za testiranje simulirane mobilnosti prenosa in obratno, ampak smo uporabili FEM študije za določitev optimalne dolžine za izdelavo igle.Glede na praktične omejitve je dolžina lancete od konice do tulca \(\približno) 0,4 cm daljša od drugih igel (AX1-3), glejte sl.3b.To lahko vpliva na modalni odziv zasnove igle.Poleg tega lahko oblika in prostornina spajke na koncu zatiča valovoda (glejte sliko 3) vplivata na mehansko impedanco zasnove zatiča, kar povzroči napake v mehanski upornosti in upogibnem obnašanju.
Končno smo dokazali, da eksperimentalna geometrija poševnega roba vpliva na količino upogiba v USeFNAB.Če bi imel večji odklon pozitiven učinek na učinek igle na tkivo, kot je učinkovitost rezanja po prebadanju, potem lahko v USeFNAB priporočimo običajno lanceto, saj zagotavlja največji odklon ob ohranjanju ustrezne togosti strukturne konice..Poleg tega je nedavna študija35 pokazala, da lahko večja deformacija konice poveča biološke učinke, kot je kavitacija, kar lahko prispeva k razvoju minimalno invazivnih kirurških aplikacij.Glede na to, da se je pokazalo, da povečana skupna akustična moč poveča izkoristek biopsije pri USeFNAB13, so potrebne nadaljnje kvantitativne študije izkoristka in kakovosti vzorca za oceno podrobnih kliničnih koristi proučevane geometrije igle.