Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Posúvače zobrazujúce tri články na snímke.Na posúvanie medzi snímkami použite tlačidlá späť a ďalej, na posúvanie sa po jednotlivých snímkach použite tlačidlá ovládača posúvania na konci.
Nedávno sa preukázalo, že použitie ultrazvuku môže zlepšiť výťažok tkaniva pri ultrazvukom vylepšenej aspiračnej biopsii jemnou ihlou (USeFNAB) v porovnaní s konvenčnou aspiračnou biopsiou jemnou ihlou (FNAB).Vzťah medzi geometriou skosenia a pôsobením hrotu ihly ešte nebol skúmaný.V tejto štúdii sme skúmali vlastnosti rezonancie ihly a amplitúdy vychýlenia pre rôzne geometrie skosenia ihly s rôznymi dĺžkami skosenia.Pri použití bežnej lancety s rezom 3,9 mm bol výkonový faktor vychýlenia hrotu (DPR) 220 a 105 µm/W vo vzduchu a vo vode.To je vyššie ako osovo symetrický 4 mm skosený hrot, ktorý dosiahol DPR 180 a 80 µm/W vo vzduchu a vo vode.Táto štúdia zdôrazňuje dôležitosť vzťahu medzi tuhosťou v ohybe geometrie skosenia v kontexte rôznych pomôcok na vkladanie, a preto môže poskytnúť prehľad o metódach riadenia reznej činnosti po prepichnutí zmenou geometrie skosenia ihly, čo je dôležité pre USeFNAB.Na aplikácii záleží.
Aspiračná biopsia tenkou ihlou (FNAB) je technika, pri ktorej sa na získanie vzorky tkaniva pri podozrení na abnormalitu používa ihla1,2,3.Ukázalo sa, že hroty typu Franseen poskytujú vyšší diagnostický výkon ako tradičné hroty Lancet4 a Menghini5.Na zvýšenie pravdepodobnosti adekvátnej vzorky pre histopatológiu boli navrhnuté aj osovo symetrické (tj obvodové) skosenia6.
Počas biopsie sa ihla vedie cez vrstvy kože a tkaniva, aby sa odhalila podozrivá patológia.Nedávne štúdie ukázali, že aktivácia ultrazvukom môže znížiť punkčnú silu potrebnú na prístup k mäkkým tkanivám7,8,9,10.Ukázalo sa, že geometria skosenia ihly ovplyvňuje sily interakcie ihly, napr. pri dlhších skoseniach sa ukázalo, že majú nižšie sily prenikajúce do tkaniva 11 .Bolo navrhnuté, že potom, čo ihla prenikne do povrchu tkaniva, tj po prepichnutí, rezná sila ihly môže byť 75 % celkovej sily interakcie ihla-tkanivo12.Ukázalo sa, že ultrazvuk (US) zlepšuje kvalitu diagnostickej biopsie mäkkých tkanív vo fáze po punkcii13.Iné metódy na zlepšenie kvality kostnej biopsie boli vyvinuté pre odber vzoriek z tvrdého tkaniva14,15, ale neboli zaznamenané žiadne výsledky, ktoré by zlepšili kvalitu biopsie.Niekoľko štúdií tiež zistilo, že mechanické posunutie sa zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím ultrazvukového pohonu16,17,18.Hoci existuje veľa štúdií o axiálnych (pozdĺžnych) statických silách v interakciách ihla-tkanivo19, 20, štúdie o časovej dynamike a geometrii skosenia ihly v ultrazvukovo vylepšenej FNAB (USEFNAB) sú obmedzené.
Cieľom tejto štúdie bolo preskúmať vplyv rôznych geometrií skosenia na činnosť hrotu ihly poháňanú ohybom ihly pri ultrazvukových frekvenciách.Konkrétne sme skúmali vplyv injekčného média na vychýlenie hrotu ihly po prepichnutí pre konvenčné skosenie ihly (napr. lancety), osovo symetrické a asymetrické geometrie s jednoduchým skosením (obr. na uľahčenie vývoja ihiel USeFNAB na rôzne účely, ako je selektívne sanie prístup alebo jadrá mäkkých tkanív.
Do tejto štúdie boli zahrnuté rôzne geometrie skosenia.(a) Lancety vyhovujúce norme ISO 7864:201636, kde \(\alpha\) je primárny uhol skosenia, \(\theta\) je sekundárny uhol natočenia skosenia a \(\phi\) je sekundárny uhol natočenia skosenia v stupne , v stupňoch (\(^\circ\)).(b) lineárne asymetrické jednostupňové skosenia (nazývané „štandardné“ v DIN 13097:201937) a (c) lineárne osovo symetrické (obvodové) jednostupňové skosenia.
Naším prístupom je najprv modelovať zmenu vlnovej dĺžky ohybu pozdĺž svahu pre konvenčné lancety, osovo symetrické a asymetrické jednostupňové geometrie sklonu.Potom sme vypočítali parametrickú štúdiu, aby sme preskúmali vplyv uhla skosenia a dĺžky trubice na mobilitu transportného mechanizmu.Toto sa robí na určenie optimálnej dĺžky na výrobu prototypovej ihly.Na základe simulácie boli vyrobené prototypy ihiel a ich rezonančné správanie vo vzduchu, vode a 10 % (w/v) balistickej želatíne bolo experimentálne charakterizované meraním koeficientu odrazu napätia a výpočtom účinnosti prenosu energie, z ktorej bola vypočítaná prevádzková frekvencia. určený..Nakoniec, vysokorýchlostné zobrazovanie sa používa na priame meranie vychýlenia ohybovej vlny na špičke ihly vo vzduchu a vode a na odhadnutie elektrického výkonu prenášaného každým naklonením a geometrie vychýliaceho účinníka (DPR) vstrekovaného materiálu. stredná.
Ako je znázornené na obrázku 2a, použite rúrku č. 21 (0,80 mm vonkajší priemer, vnútorný priemer 0,49 mm, hrúbka steny rúrky 0,155 mm, štandardná stena podľa normy ISO 9626:201621) vyrobenú z nehrdzavejúcej ocele 316 (Youngov modul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), hustota 8070 kg/m\(^{3}\), Poissonov koeficient 0,275).
Určenie ohybovej vlnovej dĺžky a ladenie modelu konečných prvkov (MKP) ihly a okrajových podmienok.a) Určenie dĺžky skosenia (BL) a dĺžky potrubia (TL).(b) Trojrozmerný (3D) model konečných prvkov (MKP) využívajúci silu harmonického bodu \(\tilde{F}_y\vec{j}\) na vybudenie ihly na proximálnom konci, vychýlenie bodu a meranie rýchlosti za tip (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) na výpočet mechanistickej dopravnej mobility.\(\lambda _y\) je definovaná ako vlnová dĺžka ohybu spojená s vertikálnou silou \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Určte ťažisko, plochu prierezu A a momenty zotrvačnosti \(I_{xx}\) a \(I_{yy}\) okolo osi x a osi y.
Ako je znázornené na obr.2b,c, pre nekonečný (nekonečný) lúč s plochou prierezu A a pri veľkej vlnovej dĺžke v porovnaní s veľkosťou prierezu lúča, ohybová (alebo ohybová) fázová rýchlosť \(c_{EI}\ ) je definovaný ako 22:
kde E je Youngov modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) je uhlová frekvencia budenia (rad/s), kde \( f_0 \ ) je lineárna frekvencia (1/s alebo Hz), I je moment zotrvačnosti oblasti okolo osi záujmu \((\text {m}^{4})\) a \(m'=\ rho _0 A \) je hmotnosť na jednotku dĺžky (kg/m), kde \(\rho _0\) je hustota \((\text {kg/m}^{3})\) a A je kríž -prierezová plocha lúča (rovina xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Keďže v našom prípade je aplikovaná sila rovnobežná so zvislou osou y, teda \(\tilde{F}_y\vec {j}\), zaujíma nás len moment zotrvačnosti oblasti okolo horizontály x- os, tj \(I_{xx} \), Preto:
Pre model konečných prvkov (MKP) sa predpokladá čisté harmonické posunutie (m), takže zrýchlenie (\(\text {m/s}^{2}\)) je vyjadrené ako \(\čiastočné ^2 \vec { u}/ \ čiastočné t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), napr. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) je trojrozmerný vektor posunutia definovaný v priestorových súradniciach.Nahradením posledne menovaného konečne deformovateľnou Lagrangiánskou formou zákona o rovnováhe hybnosti23 podľa jeho implementácie v softvérovom balíku COMSOL Multiphysics (verzie 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA):
Kde \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) je tenzorový operátor divergencie a \({\podčiarknutie{\sigma}}}\) je druhý Piola-Kirchhoffov tenzor napätia (druhý rád, \(\ text { N /m}^{2}\)) a \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) je vektor sily tela (\(\text {N/m}^{3}\)) každého deformovateľného objemu a \(e^{j\phi }\) je fáza telesná sila, má fázový uhol \(\ phi\) (rad).V našom prípade je objemová sila telesa nulová a náš model predpokladá geometrickú linearitu a malé čisto elastické deformácie, tj \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), kde \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) a \({\underline{ \varepsilon}}\) – elastická deformácia a celková deformácia (bezrozmerná druhého rádu).Hookov konštitutívny izotropný tenzor pružnosti \(\podčiarknutie {\podčiarknutie {C))\) sa získa pomocou Youngovho modulu E(\(\text{N/m}^{2}\)) a je definovaný Poissonov pomer v, takže \ (\podčiarknuť{\podčiarknuť{C}}:=\podčiarknuť{\podčiarknuť{C}}(E,v)\) (štvrtý rád).Takže výpočet napätia sa stáva \({\podčiarknuť{\sigma}} := \podčiarknuť{\podčiarknuť{C}}:{\podčiarknuť{\varepsilon}}\).
Výpočty sa uskutočňovali s 10-uzlovými tetraedrickými prvkami s veľkosťou prvku \(\le\) 8 µm.Ihla je modelovaná vo vákuu a hodnota prenosu mechanickej pohyblivosti (ms-1 H-1) je definovaná ako \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, kde \(\tilde{v}_y\vec {j}\) je výstupná komplexná rýchlosť násadca a \( \tilde{ F} _y\vec {j}\) je komplexná hnacia sila umiestnená na proximálnom konci trubice, ako je znázornené na obr. 2b.Prenosová mechanická pohyblivosť je vyjadrená v decibeloch (dB) s použitím maximálnej hodnoty ako referencie, tj \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Všetky FEM štúdie sa uskutočnili pri frekvencii 29,75 kHz.
Konštrukcia ihly (obr. 3) pozostáva z bežnej hypodermickej ihly 21 gauge (katalógové číslo: 4665643, Sterican\(^\circledR\), s vonkajším priemerom 0,8 mm, dĺžkou 120 mm, vyrobenej z AISI chrómniklová nehrdzavejúca oceľ 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Nemecko) umiestnili proximálne plastové puzdro Luer Lock vyrobené z polypropylénu so zodpovedajúcou úpravou hrotu.Ihlová trubica je prispájkovaná k vlnovodu, ako je znázornené na obr. 3b.Vlnovod bol vytlačený na 3D tlačiarni z nehrdzavejúcej ocele (EOS Stainless Steel 316L na 3D tlačiarni EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Fínsko) a potom pripevnený k senzoru Langevin pomocou skrutiek M4.Langevinov menič pozostáva z 8 piezoelektrických prstencových prvkov s dvomi závažiami na každom konci.
Štyri typy hrotov (na obrázku), komerčne dostupná lanceta (L) a tri vyrábané osovo symetrické jednostupňové skosenia (AX1–3) boli charakterizované dĺžkami skosenia (BL) 4, 1,2 a 0,5 mm.a) Detailný záber na hotový hrot ihly.(b) Pohľad zhora na štyri kolíky prispájkované k 3D tlačenému vlnovodu a potom pripojené k senzoru Langevin pomocou skrutiek M4.
Boli vyrobené tri osovo symetrické skosené hroty (obr. 3) (TAs Machine Tools Oy) s dĺžkami skosenia (BL, určené na obr. 2a) 4,0, 1,2 a 0,5 mm, čo zodpovedá \(\cca\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) a 18\(^\circ\).Hmotnosť vlnovodu a dotykového pera je 3,4 ± 0,017 g (priemer ± SD, n = 4) pre skosenie L a AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Nemecko).Celková dĺžka od špičky ihly po koniec plastového puzdra je 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm pre skosenie L a AX1-3 na obrázku 3b.
Pre všetky konfigurácie ihly je dĺžka od špičky ihly po špičku vlnovodu (tj oblasť spájkovania) 4,3 cm a rúrka ihly je orientovaná tak, že skosenie smeruje nahor (tj rovnobežne s osou Y ).), ako na (obr. 2).
Vlastný skript v MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) spustený na počítači (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) bol použitý na generovanie lineárneho sínusového priebehu od 25 do 35 kHz za 7 sekúnd, konvertovaný na analógový signál digitálno-analógovým (DA) prevodníkom (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Analógový signál \(V_0\) (0,5 Vp-p) bol potom zosilnený špeciálnym rádiofrekvenčným (RF) zosilňovačom (Mariachi Oy, Turku, Fínsko).Klesajúce zosilňovacie napätie \({V_I}\) je vyvedené z RF zosilňovača s výstupnou impedanciou 50 \(\Omega\) do transformátora zabudovaného v štruktúre ihly so vstupnou impedanciou 50 \(\Omega)\) Langevinov menič (predný a zadný viacvrstvový piezoelektrický menič, zaťažený hmotou) sa používa na generovanie mechanických vĺn.Vlastný RF zosilňovač je vybavený dvojkanálovým meračom účinníka stojatej vlny (SWR), ktorý dokáže detekovať incident \({V_I}\) a odrazené zosilnené napätie \(V_R\) cez 300 kHz analógovo-digitálny (AD) ) prevodník (Analog Discovery 2).Budiaci signál je na začiatku a na konci amplitúdovo modulovaný, aby sa zabránilo preťaženiu vstupu zosilňovača prechodnými javmi.
Pomocou vlastného skriptu implementovaného v MATLAB, funkcia frekvenčnej odozvy (AFC), tj predpokladá lineárny stacionárny systém.Použite tiež pásmový filter 20 až 40 kHz, aby ste zo signálu odstránili nežiaduce frekvencie.Odvolávajúc sa na teóriu prenosového vedenia, \(\tilde{H}(f)\) v tomto prípade zodpovedá koeficientu odrazu napätia, tj \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Keďže výstupná impedancia zosilňovača \(Z_0\) zodpovedá vstupnej impedancii vstavaného transformátora meniča a koeficient odrazu elektrického výkonu \({P_R}/{P_I}\) sa zníži na \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) sa rovná \ (|\rho _{V}|^2\).V prípade, že sa vyžaduje absolútna hodnota elektrického výkonu, vypočítajte dopadajúci \(P_I\) a odrazený\(P_R\) výkon (W) tak, že vezmete strednú kvadratúru (rms) hodnoty zodpovedajúceho napätia, napr. pre prenosové vedenie so sínusovým budením, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, kde \(Z_0\) sa rovná 50 \(\Omega\).Elektrický výkon dodaný do záťaže \(P_T\) (tj vložené médium) možno vypočítať ako \(|P_I – P_R |\) (W RMS) a účinnosť prenosu energie (PTE) možno definovať a vyjadriť ako percento (%) teda dáva 27:
Frekvenčná odozva sa potom použije na odhad modálnych frekvencií \(f_{1-3}\) (kHz) konštrukcie dotykového pera a zodpovedajúcej účinnosti prenosu energie, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) sa odhaduje priamo z \(\text {PTE}_{1{-}3}\), z tabuľky 1 frekvencie \(f_{1-3}\) popísané v .
Metóda merania frekvenčnej odozvy (AFC) ihličkovitej štruktúry.Na získanie funkcie frekvenčnej odozvy \(\tilde{H}(f)\) a jej impulznej odozvy H(t) sa používa dvojkanálové meranie s rozmietaným sínusom25,38.\({\mathcal {F}}\) a \({\mathcal {F}}^{-1}\) označujú numerickú skrátenú Fourierovu transformáciu a operáciu inverznej transformácie.\(\tilde{G}(f)\) znamená, že dva signály sú znásobené vo frekvenčnej doméne, napr. \(\tilde{G}_{XrX}\) znamená inverzné skenovanie\(\tilde{X} r( f )\) a signál poklesu napätia \(\tilde{X}(f)\).
Ako je znázornené na obr.5, vysokorýchlostná kamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) vybavená makro objektívom (MP-E 65 mm, \(f)/2,8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tokio, Japonsko) sa použili na zaznamenanie vychýlenia hrotu ihly vystavenej ohybovej excitácii (jednofrekvenčná, kontinuálna sínusoida) pri frekvencii 27,5–30 kHz.Na vytvorenie tieňovej mapy bol za skosenie ihly umiestnený chladený prvok bielej LED s vysokou intenzitou (číslo dielu: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Nemecko).
Pohľad spredu na experimentálnu zostavu.Hĺbka sa meria od povrchu média.Štruktúra ihly je upnutá a namontovaná na motorizovanom prenosovom stole.Na meranie vychýlenia skoseného hrotu použite vysokorýchlostnú kameru s veľkým zväčšením (5\(\times\)).Všetky rozmery sú v milimetroch.
Pre každý typ skosenia ihly sme zaznamenali 300 snímok z vysokorýchlostnej kamery 128 \(\x\) 128 pixelov, každý s priestorovým rozlíšením 1/180 mm (\(\cca) 5 µm), s časovým rozlíšením 310 000 snímok za sekundu.Ako je znázornené na obrázku 6, každá snímka (1) je orezaná (2) tak, že hrot je v poslednom riadku (spodnej časti) snímky, a potom sa vypočíta histogram snímky (3), takže Canny prahy 1 a 2 možno určiť.Potom použite detekciu hrán Canny28(4) pomocou Sobelovho operátora 3 \(\times\) 3 a vypočítajte polohu pixelov nekavitačnej prepony (označenej \(\mathbf {\times }\)) pre všetkých 300-násobných krokov .Na určenie rozsahu vychýlenia na konci sa vypočíta derivácia (pomocou algoritmu centrálnej diferencie) (6) a identifikuje sa rámec obsahujúci lokálne extrémy (tj vrchol) priehybu (7).Po vizuálnej kontrole nekavitujúcej hrany sa vybrala dvojica snímok (alebo dva snímky oddelené polovičným časovým úsekom) (7) a zmerala sa výchylka hrotu (označené \(\mathbf {\times} \ ) Vyššie uvedené bolo implementované v Pythone (v3.8, Python Software Foundation, python.org) pomocou algoritmu detekcie hrán OpenCV Canny (v4.5.1, open source knižnica počítačového videnia, opencv.org elektrický výkon \ (P_T \) (W, rms) .
Vychýlenie hrotu sa meralo pomocou série snímok získaných z vysokorýchlostnej kamery pri 310 kHz pomocou 7-krokového algoritmu (1-7) vrátane rámovania (1-2), detekcie Cannyho hrán (3-4), okraja umiestnenia pixelov výpočet (5) a ich časové derivácie (6) a nakoniec odklonenie hrotu od vrcholu k vrcholu sa meralo na vizuálne kontrolovaných pároch snímok (7).
Merania sa uskutočnili vo vzduchu (22,4-22,9 °C), deionizovanej vode (20,8-21,5 °C) a balistickej želatíne 10 % (w/v) (19,7-23,0 °C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Želatína z hovädzích a bravčových kostí pre balistickú analýzu typu I, Honeywell International, Severná Karolína, USA).Teplota sa merala pomocou termočlánkového zosilňovača 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 Hĺbka bola meraná od povrchu (nastavený ako začiatok osi z) pomocou vertikálneho motorizovaného stolíka s osou z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litva) s rozlíšením 5 µm.na krok.
Keďže veľkosť vzorky bola malá (n = 5) a nebolo možné predpokladať normalitu, použil sa dvojvzorkový dvojstranný Wilcoxonov rank sum test (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). na porovnanie množstva variácie hrotu ihly pre rôzne úkosy.Na jeden sklon boli 3 porovnania, preto sa použila Bonferroniho korekcia s upravenou hladinou významnosti 0,017 a chybovosťou 5 %.
Prejdime teraz k obr.7.Pri frekvencii 29,75 kHz je ohybová polvlna (\(\lambda_y/2\)) 21-gauge ihly \(\približne) 8 mm.Keď sa človek približuje k hrotu, vlnová dĺžka ohybu klesá pozdĺž šikmého uhla.Na špičke \(\lambda _y/2\) \(\približne\) sú kroky 3, 1 a 7 mm pre obvyklý kopijovitý (a), asymetrický (b) a osovo symetrický (c) sklon jednej ihly , resp.To znamená, že rozsah lancety je \(\približne) 5 mm (vzhľadom k tomu, že dve roviny lancety tvoria jeden bod29,30), asymetrické skosenie je 7 mm, asymetrické skosenie je 1 mm.Osovo symetrické sklony (ťažisko zostáva konštantné, takže pozdĺž svahu sa v skutočnosti mení iba hrúbka steny potrubia).
Štúdium MKP a aplikácia rovníc pri frekvencii 29,75 kHz.(1) Pri výpočte zmeny polvlny ohybu (\(\lambda_y/2\)) pre geometriu lancety (a), asymetrickú (b) a osovo symetrickú (c) (ako na obr. 1a,b,c ).Priemerná hodnota \(\lambda_y/2\) lancety, asymetrického a osovo symetrického skosenia bola 5,65, 5,17 a 7,52 mm.Všimnite si, že hrúbka hrotu pre asymetrické a osovo symetrické skosenia je obmedzená na \(\cca) 50 µm.
Špičková pohyblivosť \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) je optimálna kombinácia dĺžky rúrky (TL) a dĺžky skosenia (BL) (obr. 8, 9).Pre konvenčnú lancetu, keďže jej veľkosť je pevná, je optimálna TL \(\približne) 29,1 mm (obr. 8).Pre asymetrické a osovo symetrické skosenia (obr. 9a, b), štúdie FEM zahŕňali BL od 1 do 7 mm, takže optimálne TL boli od 26,9 do 28,7 mm (rozsah 1,8 mm) a od 27,9 do 29,2 mm (rozsah 1,3 mm), resp.Pre asymetrický sklon (obr. 9a) sa optimálna TL zvýšila lineárne, dosiahla plató pri BL 4 mm a potom prudko klesla z BL 5 na 7 mm.Pre osovo symetrické skosenie (obr. 9b) sa optimálna TL lineárne zvyšovala so zvyšujúcou sa BL a nakoniec sa ustálila na BL od 6 do 7 mm.Rozšírená štúdia osovo symetrického náklonu (obr. 9c) odhalila odlišný súbor optimálnych TL pri \(\cca) 35,1–37,1 mm.Pre všetky BL je vzdialenosť medzi dvoma najlepšími TL \(\cca\) 8 mm (ekvivalent \(\lambda_y/2\)).
Mobilita prenosu lancety pri 29,75 kHz.Ihla bola pružne excitovaná pri frekvencii 29,75 kHz a vibrácie boli merané na špičke ihly a vyjadrené ako množstvo prenesenej mechanickej pohyblivosti (dB vzhľadom na maximálnu hodnotu) pre TL 26,5-29,5 mm (v krokoch po 0,1 mm) .
Parametrické štúdie MKP pri frekvencii 29,75 kHz ukazujú, že prenosová pohyblivosť osovo symetrického hrotu je menej ovplyvnená zmenou dĺžky trubice ako jej asymetrického náprotivku.Štúdie dĺžky skosenia (BL) a dĺžky potrubia (TL) asymetrických (a) a osovo symetrických (b, c) geometrií skosenia v štúdii frekvenčnej oblasti pomocou MKP (okrajové podmienky sú znázornené na obr. 2).(a, b) TL sa pohybovala od 26,5 do 29,5 mm (krok 0,1 mm) a BL 1–7 mm (krok 0,5 mm).(c) Rozšírené osovo symetrické štúdie naklonenia vrátane TL 25–40 mm (v prírastkoch 0,05 mm) a BL 0,1–7 mm (v prírastkoch 0,1 mm), ktoré ukazujú, že \(\lambda_y/2\ ) musí spĺňať požiadavky hrotu.pohyblivé okrajové podmienky.
Konfigurácia ihly má tri vlastné frekvencie \(f_{1-3}\) rozdelené do oblastí nízkeho, stredného a vysokého režimu, ako je uvedené v tabuľke 1. Veľkosť PTE bola zaznamenaná tak, ako je znázornené na obr.10 a potom analyzované na obr. 11. Nižšie sú uvedené zistenia pre každú modálnu oblasť:
Typické zaznamenané amplitúdy okamžitej účinnosti prenosu energie (PTE) získané pomocou sínusového budenia s rozmietanou frekvenciou pre lancetu (L) a osovo symetrické skosenie AX1-3 vo vzduchu, vode a želatíne v hĺbke 20 mm.Sú zobrazené jednostranné spektrá.Nameraná frekvenčná odozva (vzorkovaná pri 300 kHz) bola filtrovaná dolnou priepustou a potom zmenšená o faktor 200 pre modálnu analýzu.Odstup signálu od šumu je \(\le\) 45 dB.Fázy PTE (fialové bodkované čiary) sú zobrazené v stupňoch (\(^{\circ}\)).
Analýza modálnej odozvy (priemer ± štandardná odchýlka, n = 5) znázornená na obr. 10 pre sklony L a AX1-3 vo vzduchu, vode a 10 % želatíne (hĺbka 20 mm), s (hore) tromi modálnymi oblasťami ( nízka, stredná a vysoká) a ich zodpovedajúce modálne frekvencie\(f_{1-3 }\) (kHz), (priemerná) energetická účinnosť \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Vypočítané pomocou ekvivalentov .(4) a (dole) celá šírka pri polovičných maximálnych meraniach \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), v tomto poradí.Všimnite si, že meranie šírky pásma bolo preskočené, keď bol zaregistrovaný nízky PTE, tj \(\text {FWHM}_{1}\) v prípade sklonu AX2.Zistilo sa, že režim \(f_2\) je najvhodnejší na porovnanie vychýlenia svahov, pretože vykazoval najvyššiu úroveň účinnosti prenosu energie (\(\text {PTE}_{2}\)), až 99 %.
Prvá modálna oblasť: \(f_1\) veľmi nezávisí od typu vloženého média, ale závisí od geometrie svahu.\(f_1\) klesá s klesajúcou dĺžkou skosenia (27,1, 26,2 a 25,9 kHz vo vzduchu pre AX1-3, v tomto poradí).Regionálne priemery \(\text {PTE}_{1}\) a \(\text {FWHM}_{1}\) sú \(\približne\) 81 % a 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) má najvyšší obsah želatíny v Lancete (L, 473 Hz).Upozorňujeme, že \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 v želatíne nebolo možné vyhodnotiť z dôvodu nízkej zaznamenanej amplitúdy FRF.
Druhá modálna oblasť: \(f_2\) závisí od typu vloženého média a skosenia.Priemerné hodnoty \(f_2\) sú 29,1, 27,9 a 28,5 kHz vo vzduchu, vode a želatíne.Tento modálny región tiež vykázal vysoký PTE 99 %, najvyšší zo všetkých meraných skupín, s regionálnym priemerom 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) má regionálny priemer \(\približne\) 910 Hz.
Oblasť tretieho režimu: frekvencia \(f_3\) závisí od typu média a skosenia.Priemerné hodnoty \(f_3\) sú 32,0, 31,0 a 31,3 kHz vo vzduchu, vode a želatíne.Regionálny priemer \(\text {PTE}_{3}\) bol \(\približne\) 74 %, čo je najnižší zo všetkých regiónov.Regionálny priemer \(\text {FWHM}_{3}\) je \(\približne\) 1085 Hz, čo je viac ako v prvom a druhom regióne.
       Nasleduje odkaz na obr.12 a tabuľka 2. Lanceta (L) sa najviac vychýlila (s vysokou významnosťou pre všetky hroty, \(p<\) 0,017) vo vzduchu aj vo vode (obr. 12a), pričom dosiahla najvyššiu DPR (až 220 µm/ W vo vzduchu). 12 a tabuľka 2. Lanceta (L) sa najviac vychýlila (s vysokou významnosťou pre všetky hroty, \(p<\) 0,017) vo vzduchu aj vo vode (obr. 12a), pričom dosiahla najvyššiu DPR (až 220 µm/ W vo vzduchu). Следующее относится к рисунку 12 a таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (больше всего для всех наконечников, \(p<\) 0,017) как воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигогоЏса . Nasledujúce platí pre obrázok 12 a tabuľku 2. Lanceta (L) sa najviac vychýlila (s vysokou významnosťou pre všetky hroty, \(p<\) 0,017) vo vzduchu aj vo vode (obr. 12a), pričom dosiahla najvyššiu DPR .(do 220 μm/W vo vzduchu).Smt.Obrázok 12 a tabuľka 2 nižšie.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漌漞囎高DPR （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) má najväčšiu výchylku vo vzduchu a vode (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) a dosiahol najvyššiu DPR (až 220 µm/W vzduch). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконех наконечнвиков), и,01< оде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт воздухе). Lancet (L) sa najviac vychýlil (vysoká významnosť pre všetky hroty, \(p<\) 0,017) vo vzduchu a vo vode (obr. 12a), pričom dosiahol najvyšší DPR (až 220 µm/W vo vzduchu). Vo vzduchu sa AX1, ktorý mal vyššiu BL, vychýlil vyššie ako AX2–3 (s významom \(p<\) 0,017), zatiaľ čo AX3 (ktorý mal najnižšiu BL) sa vychýlil viac ako AX2 s DPR 190 µm/W. Vo vzduchu sa AX1, ktorý mal vyššiu BL, vychýlil vyššie ako AX2–3 (s významom \(p<\) 0,017), zatiaľ čo AX3 (ktorý mal najnižšiu BL) sa vychýlil viac ako AX2 s DPR 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью (p<1, стью), 3.0. AX, AX, 0 ым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Vo vzduchu sa AX1 s vyšším BL vychýlil vyššie ako AX2–3 (s významnosťou \(p<\) 0,017), zatiaľ čo AX3 (s najnižším BL) sa vychýlil viac ako 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，\(p<\) 慴党巻伅莚 伅AX3慄耎偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W . Vo vzduchu je výchylka AX1 s vyšším BL vyššia ako výchylka AX2-3 (výrazne \(p<\) 0,017) a výchylka AX3 (s najnižším BL) je väčšia ako výchylka AX2, DPR je 190 um/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\), сатомака 0,017 низким BL) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Vo vzduchu sa AX1 s vyšším BL vychýli viac ako AX2-3 (významné, \(p<\) 0,017), zatiaľ čo AX3 (s najnižším BL) vychýli viac ako AX2 s DPR 190 µm/W.Pri 20 mm vody sa priehyb a PTE AX1–3 významne nelíšili (\(p>\) 0,017).Hladiny PTE vo vode (90,2 – 98,4 %) boli vo všeobecnosti vyššie ako vo vzduchu (56 – 77,5 %) (obr. 12c) a fenomén kavitácie bol zaznamenaný počas experimentu vo vode (obr. 13, pozri aj ďalšie informácie).
Veľkosť vychýlenia hrotu (priemer ± SD, n = 5) nameraná pre skosenie L a AX1-3 vo vzduchu a vo vode (hĺbka 20 mm) ukazuje vplyv zmeny geometrie skosenia.Merania boli získané pomocou kontinuálnej jednofrekvenčnej sínusovej excitácie.(a) Odchýlka od vrcholu k vrcholu (\(u_y\vec {j}\)) na špičke, meraná pri (b) ich príslušných modálnych frekvenciách \(f_2\).c) Účinnosť prenosu výkonu (PTE, RMS, %) rovnice.(4) a (d) Faktor vychýlenia (DPR, µm/W) vypočítaný ako odchýlka od špičky k špičke a prenášaný elektrický výkon \(P_T\) (Wrms).
Typický tieňový graf vysokorýchlostnej kamery zobrazujúci odchýlku od vrcholu k vrcholu (zelené a červené bodkované čiary) lancety (L) a osovo symetrického hrotu (AX1–3) vo vode (hĺbka 20 mm) počas polovice cyklu.cyklu, pri budiacej frekvencii \(f_2\) (vzorkovacia frekvencia 310 kHz).Zachytený obrázok v odtieňoch sivej má veľkosť 128×128 pixelov a veľkosť pixelov \(\cca\) 5 µm.Video nájdete v dodatočných informáciách.
Takto sme namodelovali zmenu vlnovej dĺžky ohybu (obr. 7) a vypočítali prenosnú mechanickú pohyblivosť pre kombinácie dĺžky rúry a skosenia (obr. 8, 9) pre konvenčné lancetové, asymetrické a osovo symetrické skosenia geometrických tvarov.Na základe toho sme odhadli optimálnu vzdialenosť 43 mm (alebo \(\približne) 2,75\(\lambda _y\) pri 29,75 kHz) od špičky po zvar, ako je znázornené na obr. 5, a vytvorili sme tri osové symetrické úkosy s rôznymi dĺžkami úkosov.Potom sme charakterizovali ich frekvenčné správanie vo vzduchu, vode a 10 % (w/v) balistickej želatíne v porovnaní s konvenčnými lancetami (obrázky 10, 11) a určili sme režim najvhodnejší na porovnanie vychýlenia skosenia.Nakoniec sme zmerali vychýlenie hrotu ohybovou vlnou vo vzduchu a vode v hĺbke 20 mm a kvantifikovali účinnosť prenosu energie (PTE, %) a vychýlenie výkonového faktora (DPR, µm/W) vkladacieho média pre každý úkos.hranatý typ (obr. 12).
Ukázalo sa, že geometria skosenia ihly ovplyvňuje veľkosť vychýlenia hrotu ihly.Lanceta dosiahla najvyššiu výchylku a najvyššiu DPR v porovnaní s osovo symetrickým skosením s nižšou priemernou výchylkou (obr. 12).4 mm osovo symetrické skosenie (AX1) s najdlhším skosením dosiahlo štatisticky významné maximálne vychýlenie vo vzduchu v porovnaní s ostatnými osovo symetrickými ihlami (AX2–3) (\(p < 0,017\), tabuľka 2), ale nebol tam žiadny významný rozdiel .pozorované, keď je ihla vložená do vody.Neexistuje teda žiadna zjavná výhoda dlhšej dĺžky skosenia v zmysle maximálneho vychýlenia na špičke.S ohľadom na to sa ukazuje, že geometria skosenia študovaná v tejto štúdii má väčší vplyv na veľkosť vychýlenia ako dĺžka skosenia.To môže byť spôsobené tuhosťou v ohybe, napríklad v závislosti od celkovej hrúbky ohýbaného materiálu a konštrukcie ihly.
V experimentálnych štúdiách je veľkosť odrazenej ohybovej vlny ovplyvnená okrajovými podmienkami hrotu.Keď je hrot ihly vložený do vody a želatíny, \(\text {PTE}_{2}\) je \(\približne\) 95 % a \(\text {PTE}_{ 2}\) je \ (\text {PTE}_{ 2}\) hodnoty sú 73 % a 77 % pre (\text {PTE}_{1}\) a \(\text {PTE}_{3}\), respektíve (obr. 11).To naznačuje, že maximálny prenos akustickej energie do odlievacieho média, tj vody alebo želatíny, nastáva pri \(f_2\).Podobné správanie bolo pozorované v predchádzajúcej štúdii31 s použitím jednoduchšej konfigurácie zariadenia vo frekvenčnom rozsahu 41-43 kHz, v ktorej autori ukázali závislosť koeficientu odrazu napätia od mechanického modulu zalievacieho média.Hĺbka prieniku32 a mechanické vlastnosti tkaniva poskytujú mechanické zaťaženie ihly, a preto sa očakáva, že ovplyvnia rezonančné správanie UZEFNAB.Algoritmy sledovania rezonancie (napr. 17, 18, 33) teda možno použiť na optimalizáciu akustického výkonu dodávaného cez ihlu.
Simulácia pri vlnových dĺžkach ohybu (obr. 7) ukazuje, že osovo symetrický hrot je konštrukčne tuhší (tj pevnejší v ohybe) ako lanceta a asymetrické skosenie.Na základe (1) a pomocou známeho vzťahu rýchlosť-frekvencia odhadneme ohybovú tuhosť na hrote ihly na \(\asi\) 200, 20 a 1500 MPa pre lancetu, asymetrickú a axiálne naklonenú rovinu.To zodpovedá \(\lambda_y\) \(\približne\) 5,3, 1,7 a 14,2 mm, v tomto poradí, pri 29,75 kHz (obr. 7a–c).Vzhľadom na klinickú bezpečnosť počas USeFNAB by sa mal posúdiť vplyv geometrie na štrukturálnu tuhosť naklonenej roviny34.
Štúdia parametrov úkosu vo vzťahu k dĺžke rúry (obr. 9) ukázala, že optimálny rozsah prenosu bol vyšší pre asymetrický úkos (1,8 mm) ako pre osovo symetrický úkos (1,3 mm).Okrem toho je pohyblivosť stabilná pri \(\približne) od 4 do 4,5 mm a od 6 do 7 mm pre asymetrické a osovo symetrické naklonenia (obr. 9a, b).Praktický význam tohto objavu je vyjadrený vo výrobných toleranciách, napríklad nižší rozsah optimálnej TL môže znamenať, že je potrebná väčšia presnosť dĺžky.Plató mobility zároveň poskytuje väčšiu toleranciu pre voľbu dĺžky ponoru pri danej frekvencii bez výrazného vplyvu na mobilitu.
Štúdia zahŕňa nasledujúce obmedzenia.Priame meranie vychýlenia ihly pomocou detekcie hrán a vysokorýchlostného zobrazovania (obrázok 12) znamená, že sme obmedzení na opticky transparentné médiá, ako je vzduch a voda.Chceli by sme tiež zdôrazniť, že sme nepoužili experimenty na testovanie simulovanej prenosovej mobility a naopak, ale použili FEM štúdie na určenie optimálnej dĺžky na výrobu ihly.S ohľadom na praktické obmedzenia je dĺžka lancety od špičky po objímku \(\približne) o 0,4 cm dlhšia ako u iných ihiel (AX1-3), viď obr.3b.To môže ovplyvniť modálnu odozvu konštrukcie ihly.Okrem toho tvar a objem spájky na konci vlnovodného kolíka (pozri obrázok 3) môžu ovplyvniť mechanickú impedanciu konštrukcie kolíka, čo môže spôsobiť chyby v mechanickej impedancii a ohybe.
Nakoniec sme preukázali, že experimentálna geometria skosenia ovplyvňuje veľkosť vychýlenia v USeFNAB.Ak by väčšie vychýlenie malo pozitívny vplyv na účinok ihly na tkanivo, ako je účinnosť rezania po prepichnutí, potom možno v USeFNAB odporučiť klasickú lancetu, pretože poskytuje maximálne vychýlenie pri zachovaní primeranej tuhosti štrukturálneho hrotu..Nedávna štúdia35 navyše ukázala, že väčšie vychýlenie hrotu môže zvýšiť biologické účinky, ako je kavitácia, čo môže uľahčiť vývoj minimálne invazívnych chirurgických aplikácií.Vzhľadom na to, že sa ukázalo, že zvyšujúci sa celkový akustický výkon zvyšuje počet biopsií v USeFNAB13, sú potrebné ďalšie kvantitatívne štúdie množstva a kvality vzorky na posúdenie podrobných klinických prínosov študovanej geometrie ihly.