Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Peluncur menunjukkan tiga artikel setiap slaid.Gunakan butang belakang dan seterusnya untuk bergerak melalui slaid, atau butang pengawal slaid di hujung untuk bergerak melalui setiap slaid.
Baru-baru ini telah ditunjukkan bahawa penggunaan ultrasound boleh meningkatkan hasil tisu dalam biopsi aspirasi jarum halus (USeFNAB) yang dipertingkatkan ultrasound berbanding biopsi aspirasi jarum halus (FNAB) konvensional.Hubungan antara geometri serong dan tindakan hujung jarum belum lagi disiasat.Dalam kajian ini, kami menyiasat sifat resonans jarum dan amplitud pesongan untuk pelbagai geometri serong jarum dengan panjang serong yang berbeza.Menggunakan lancet konvensional dengan potongan 3.9 mm, faktor kuasa pesongan hujung (DPR) ialah 220 dan 105 µm/W dalam udara dan air, masing-masing.Ini lebih tinggi daripada hujung serong 4mm axisymmetric, yang masing-masing mencapai DPR 180 dan 80 µm/W dalam udara dan air.Kajian ini menyerlahkan kepentingan hubungan antara kekukuhan lenturan geometri serong dalam konteks bantuan sisipan yang berbeza, dan dengan itu boleh memberikan gambaran tentang kaedah untuk mengawal tindakan pemotongan selepas tusukan dengan menukar geometri serong jarum, yang penting untuk USeFNAB.Urusan permohonan.
Biopsi aspirasi jarum halus (FNAB) ialah teknik di mana jarum digunakan untuk mendapatkan sampel tisu apabila keabnormalan disyaki1,2,3.Petua jenis Franseen telah ditunjukkan untuk memberikan prestasi diagnostik yang lebih tinggi daripada petua Lancet4 dan Menghini5 tradisional.Serong aksimetrik (iaitu lilitan) juga telah dicadangkan untuk meningkatkan kemungkinan sampel yang mencukupi untuk histopatologi6.
Semasa biopsi, jarum disalurkan melalui lapisan kulit dan tisu untuk mendedahkan patologi yang mencurigakan.Kajian terbaru menunjukkan bahawa pengaktifan ultrasonik boleh mengurangkan daya tusukan yang diperlukan untuk mengakses tisu lembut7,8,9,10.Geometri serong jarum telah terbukti mempengaruhi daya interaksi jarum, contohnya serong yang lebih panjang telah terbukti mempunyai daya penembusan tisu yang lebih rendah 11 .Telah dicadangkan bahawa selepas jarum telah menembusi permukaan tisu, iaitu selepas tusukan, daya pemotongan jarum mungkin 75% daripada jumlah daya interaksi jarum-tisu12.Ultrasound (AS) telah ditunjukkan untuk meningkatkan kualiti biopsi tisu lembut diagnostik dalam fasa selepas tusukan13.Kaedah lain untuk meningkatkan kualiti biopsi tulang telah dibangunkan untuk pensampelan tisu keras14,15 tetapi tiada keputusan telah dilaporkan yang meningkatkan kualiti biopsi.Beberapa kajian juga mendapati bahawa anjakan mekanikal meningkat dengan peningkatan voltan pemacu ultrasound16,17,18.Walaupun terdapat banyak kajian tentang daya statik paksi (membujur) dalam interaksi jarum-tisu19,20, kajian tentang dinamik temporal dan geometri serong jarum dalam FNAB dipertingkat ultrasonik (USeFNAB) adalah terhad.
Matlamat kajian ini adalah untuk menyiasat kesan geometri serong yang berbeza pada tindakan hujung jarum yang didorong oleh lenturan jarum pada frekuensi ultrasonik.Khususnya, kami menyiasat kesan medium suntikan pada pesongan hujung jarum selepas tusukan untuk serong jarum konvensional (cth, lancet), geometri serong tunggal axisymmetric dan asimetri (Rajah. untuk memudahkan pembangunan jarum USeFNAB untuk pelbagai tujuan seperti sedutan terpilih. akses atau nukleus tisu lembut.
Pelbagai geometri serong telah dimasukkan dalam kajian ini.(a) Lancet yang mematuhi ISO 7864:201636 dengan \(\alpha\) ialah sudut serong primer, \(\theta\) ialah sudut putaran serong sekunder, dan \(\phi\) ialah Sudut putaran serong sekunder dalam darjah , dalam darjah (\(^\circ\)).(b) talang satu langkah asimetri linear (dipanggil “standard” dalam DIN 13097:201937) dan (c) talang satu langkah paksisimetri (lilitan) linear.
Pendekatan kami adalah untuk memodelkan terlebih dahulu perubahan dalam panjang gelombang lentur di sepanjang cerun untuk geometri cerun satu peringkat konvensional, axisymmetric dan asimetri.Kami kemudian mengira kajian parametrik untuk mengkaji kesan sudut serong dan panjang tiub pada mobiliti mekanisme pengangkutan.Ini dilakukan untuk menentukan panjang optimum untuk membuat jarum prototaip.Berdasarkan simulasi, prototaip jarum telah dibuat dan tingkah laku resonansnya dalam udara, air, dan 10% (w/v) gelatin balistik telah dicirikan secara eksperimen dengan mengukur pekali pantulan voltan dan mengira kecekapan pemindahan kuasa, dari mana kekerapan operasi adalah. ditentukan..Akhir sekali, pengimejan berkelajuan tinggi digunakan untuk mengukur secara langsung pesongan gelombang lentur di hujung jarum dalam udara dan air, dan untuk menganggar kuasa elektrik yang dihantar oleh setiap kecondongan dan geometri faktor kuasa pesongan (DPR) yang disuntik. sederhana.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2a, gunakan paip No. 21 (0.80 mm OD, 0.49 mm ID, ketebalan dinding paip 0.155 mm, dinding standard seperti yang dinyatakan dalam ISO 9626:201621) diperbuat daripada keluli tahan karat 316 ( Modulus Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), ketumpatan 8070 kg/m\(^{3}\), nisbah Poisson 0.275).
Penentuan panjang gelombang lentur dan penalaan model unsur terhingga (FEM) bagi keadaan jarum dan sempadan.(a) Penentuan panjang serong (BL) dan panjang paip (TL).(b) Model unsur terhingga (3D) tiga dimensi (3D) menggunakan daya titik harmonik \(\tilde{F}_y\vec{j}\) untuk mengujakan jarum di hujung proksimal, memesongkan titik dan mengukur halaju setiap petua (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) untuk mengira mobiliti pengangkutan mekanistik.\(\lambda _y\) ditakrifkan sebagai panjang gelombang lentur yang dikaitkan dengan daya menegak \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Tentukan pusat graviti, luas keratan rentas A, dan momen inersia \(I_{xx}\) dan \(I_{yy}\) masing-masing mengelilingi paksi-x dan paksi-y.
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.2b,c, untuk rasuk tak terhingga (tak terhingga) dengan luas keratan rentas A dan pada panjang gelombang yang besar berbanding saiz keratan rentas rasuk, halaju fasa lentur (atau lentur) \(c_{EI}\ ) ditakrifkan sebagai 22:
dengan E ialah modulus Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) ialah frekuensi sudut pengujaan (rad/s), dengan \( f_0 \ ) ialah frekuensi linear (1/s atau Hz), I ialah momen inersia bagi kawasan di sekeliling paksi kepentingan \((\text {m}^{4})\) dan \(m'=\ rho _0 A \) ialah jisim pada unit panjang (kg/m), dengan \(\rho _0\) ialah ketumpatan \((\text {kg/m}^{3})\) dan A ialah salib -luas keratan rasuk (satah xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Oleh kerana dalam kes kami, daya yang dikenakan adalah selari dengan paksi-y menegak, iaitu \(\tilde{F}_y\vec {j}\), kami hanya berminat dengan momen inersia kawasan di sekeliling x- paksi, iaitu \(I_{xx} \), Itulah sebabnya:
Untuk model unsur terhingga (FEM), sesaran harmonik tulen (m) diandaikan, jadi pecutan (\(\text {m/s}^{2}\)) dinyatakan sebagai \(\partial ^2 \vec { u}/ \ separa t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), cth \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) ialah vektor anjakan tiga dimensi yang ditakrifkan dalam koordinat spatial.Menggantikan yang terakhir dengan bentuk Lagrangian boleh ubah terhingga undang-undang keseimbangan momentum23, mengikut pelaksanaannya dalam pakej perisian COMSOL Multiphysics (versi 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), memberikan:
Di mana \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) ialah pengendali pencapahan tensor, dan \({\underline{\sigma}}\) ialah tensor tegasan Piola-Kirchhoff kedua (tertib kedua, \(\ text { N /m}^{2}\)), dan \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) ialah vektor daya badan (\(\text {N/m}^{3}\)) bagi setiap isipadu boleh ubah bentuk, dan \(e^{j\phi }\) ialah fasa bagi daya badan, mempunyai sudut fasa \(\ phi\) (rad).Dalam kes kami, daya isipadu badan adalah sifar, dan model kami menganggap lineariti geometri dan ubah bentuk keanjalan kecil semata-mata, iaitu \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), dengan masing-masing \({\garis bawah{\varepsilon}}^{el}\) dan \({\garis bawah{ \varepsilon}}\) – ubah bentuk kenyal dan jumlah (tanpa dimensi tertib kedua).Tensor keanjalan isotropik konstitutif Hooke \(\garis bawah {\garis bawah {C))\) diperoleh menggunakan modulus Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) dan nisbah Poisson v ditakrifkan, supaya \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (urutan keempat).Maka pengiraan tegasan menjadi \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Pengiraan dilakukan dengan elemen tetrahedral 10 nod dengan saiz elemen \(\le\) 8 µm.Jarum dimodelkan dalam vakum, dan nilai pemindahan mobiliti mekanikal (ms-1 H-1) ditakrifkan sebagai \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, dengan \(\tilde{v}_y\vec {j}\) ialah halaju kompleks keluaran alat tangan, dan \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) ialah daya penggerak kompleks yang terletak di hujung proksimal tiub, seperti ditunjukkan dalam Rajah 2b.Mobiliti mekanikal transmisi dinyatakan dalam desibel (dB) menggunakan nilai maksimum sebagai rujukan, iaitu \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{maks}| )\ ), Semua kajian FEM telah dijalankan pada frekuensi 29.75 kHz.
Reka bentuk jarum (Rajah 3) terdiri daripada jarum hipodermik tolok 21 konvensional (nombor katalog: 4665643, Sterican\(^\circledR\), dengan diameter luar 0.8 mm, panjang 120 mm, diperbuat daripada AISI keluli tahan karat kromium-nikel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Jerman) meletakkan lengan Luer Lock plastik yang diperbuat daripada proksimal polipropilena dengan pengubahsuaian hujung yang sepadan.Tiub jarum dipateri ke pandu gelombang seperti ditunjukkan dalam Rajah 3b.Pandu gelombang telah dicetak pada pencetak 3D keluli tahan karat (EOS Stainless Steel 316L pada pencetak 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) dan kemudian dilekatkan pada penderia Langevin menggunakan bolt M4.Transduser Langevin terdiri daripada 8 elemen cincin piezoelektrik dengan dua pemberat pada setiap hujung.
Empat jenis petua (gambar), lancet (L) yang tersedia secara komersil (L) dan tiga serong peringkat tunggal axisymmetric yang dihasilkan (AX1–3) telah dicirikan oleh panjang serong (BL) masing-masing 4, 1.2 dan 0.5 mm.(a) Gambar dekat hujung jarum yang telah siap.(b) Pandangan atas empat pin yang dipateri pada pandu gelombang bercetak 3D dan kemudian disambungkan kepada sensor Langevin dengan bolt M4.
Tiga petua serong axisymmetric (Rajah 3) (TAs Machine Tools Oy) telah dihasilkan dengan panjang serong (BL, ditentukan dalam Rajah 2a) sebanyak 4.0, 1.2 dan 0.5 mm, sepadan dengan \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) dan 18\(^\circ\).Berat pandu gelombang dan stylus ialah 3.4 ± 0.017 g (min ± SD, n = 4) untuk serong L dan AX1–3, masing-masing (Quntix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Jerman) .Jumlah panjang dari hujung jarum ke hujung lengan plastik ialah 13.7, 13.3, 13.3, 13.3 cm masing-masing untuk serong L dan AX1-3 dalam Rajah 3b.
Untuk semua konfigurasi jarum, panjang dari hujung jarum ke hujung pandu gelombang (iaitu, kawasan pematerian) ialah 4.3 cm, dan tiub jarum diorientasikan supaya serong menghadap ke atas (iaitu, selari dengan paksi Y ).), seperti dalam (Rajah 2).
Skrip tersuai dalam MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) yang dijalankan pada komputer (Latitud 7490, Dell Inc., Texas, USA) telah digunakan untuk menjana sapuan sinusoidal linear dari 25 hingga 35 kHz dalam 7 saat, ditukar kepada isyarat analog oleh penukar digital-ke-analog (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Isyarat analog \(V_0\) (0.5 Vp-p) kemudiannya dikuatkan dengan penguat frekuensi radio (RF) khusus (Mariachi Oy, Turku, Finland).Voltan penguat yang jatuh \({V_I}\) adalah output daripada penguat RF dengan galangan keluaran 50 \(\Omega\) kepada pengubah yang dibina ke dalam struktur jarum dengan galangan input 50 \(\Omega)\) Transduser Langevin (transduser piezoelektrik berbilang lapisan depan dan belakang, dimuatkan dengan jisim) digunakan untuk menjana gelombang mekanikal.Penguat RF tersuai dilengkapi dengan meter faktor kuasa gelombang berdiri (SWR) dwi saluran yang boleh mengesan kejadian \({V_I}\) dan voltan dikuatkan terpantul \(V_R\) melalui analog-ke-digital (AD) 300 kHz ) penukar (Penemuan Analog 2).Isyarat pengujaan dimodulasi amplitud pada permulaan dan pada penghujung untuk mengelakkan lebihan beban input penguat dengan transien.
Menggunakan skrip tersuai yang dilaksanakan dalam MATLAB, fungsi tindak balas frekuensi (AFC), iaitu menganggap sistem pegun linear.Juga, gunakan penapis pas jalur 20 hingga 40 kHz untuk mengeluarkan sebarang frekuensi yang tidak diingini daripada isyarat.Merujuk kepada teori talian penghantaran, \(\tilde{H}(f)\) dalam kes ini adalah bersamaan dengan pekali pantulan voltan, iaitu \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Oleh kerana galangan keluaran penguat \(Z_0\) sepadan dengan galangan input pengubah terbina dalam penukar, dan pekali pantulan kuasa elektrik \({P_R}/{P_I}\) dikurangkan kepada \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) sama dengan \ (|\rho _{V}|^2\).Dalam kes di mana nilai mutlak kuasa elektrik diperlukan, hitung kejadian \(P_I\) dan pantulan\(P_R\) kuasa (W) dengan mengambil nilai punca kuasa dua (rms) bagi voltan yang sepadan, sebagai contoh, untuk talian penghantaran dengan pengujaan sinusoidal, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, dengan \(Z_0\) bersamaan dengan 50 \(\Omega\).Kuasa elektrik yang dihantar ke beban \(P_T\) (iaitu medium yang dimasukkan) boleh dikira sebagai \(|P_I – P_R |\) (W RMS) dan kecekapan pemindahan kuasa (PTE) boleh ditakrifkan dan dinyatakan sebagai peratusan (%) memberikan 27:
Tindak balas frekuensi kemudiannya digunakan untuk menganggarkan frekuensi modal \(f_{1-3}\) (kHz) reka bentuk stilus dan kecekapan pemindahan kuasa yang sepadan, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) dianggarkan terus daripada \(\text {PTE}_{1{-}3}\), daripada Jadual 1 frekuensi \(f_{1-3}\) diterangkan dalam .
Kaedah untuk mengukur tindak balas frekuensi (AFC) bagi struktur acicular.Ukuran swept-sine dwi saluran25,38 digunakan untuk mendapatkan fungsi tindak balas frekuensi \(\tilde{H}(f)\) dan tindak balas impulsnya H(t).\({\mathcal {F}}\) dan \({\mathcal {F}}^{-1}\) masing-masing menandakan penjelmaan Fourier terpotong berangka dan operasi penjelmaan songsang.\(\tilde{G}(f)\) bermaksud kedua-dua isyarat didarab dalam domain frekuensi, cth \(\tilde{G}_{XrX}\) bermaksud imbasan songsang\(\tilde{X} r( f )\) dan isyarat jatuh voltan \(\tilde{X}(f)\).
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.5, kamera berkelajuan tinggi (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, Amerika Syarikat) dilengkapi dengan lensa makro (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tokyo, Jepun) digunakan untuk merekodkan pesongan hujung jarum yang tertakluk kepada pengujaan lentur (frekuensi tunggal, sinusoid berterusan) pada frekuensi 27.5–30 kHz.Untuk mencipta peta bayang, unsur disejukkan bagi LED putih berintensiti tinggi (nombor bahagian: 4052899910881, Led Putih, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Jerman) diletakkan di belakang serong jarum.
Pandangan hadapan bagi persediaan percubaan.Kedalaman diukur dari permukaan media.Struktur jarum diapit dan dipasang pada meja pemindahan bermotor.Gunakan kamera berkelajuan tinggi dengan kanta pembesaran tinggi (5\(\times\)) untuk mengukur pesongan hujung serong.Semua dimensi adalah dalam milimeter.
Untuk setiap jenis serong jarum, kami merakam 300 bingkai kamera berkelajuan tinggi 128 \(\x\) 128 piksel, setiap satu dengan resolusi spatial 1/180 mm (\(\approx) 5 µm), dengan resolusi temporal sebanyak 310,000 bingkai sesaat.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6, setiap bingkai (1) dipotong (2) supaya hujungnya berada di baris terakhir (bawah) bingkai, dan kemudian histogram imej (3) dikira, jadi Canny ambang 1 dan 2 boleh ditentukan.Kemudian gunakan pengesanan tepi Canny28(4) menggunakan operator Sobel 3 \(\times\) 3 dan hitung kedudukan piksel hipotenus bukan peronggaan (berlabel \(\mathbf {\times }\)) untuk semua langkah 300 kali ganda .Untuk menentukan rentang pesongan pada penghujungnya, terbitan dikira (menggunakan algoritma perbezaan pusat) (6) dan bingkai yang mengandungi ekstrema tempatan (iaitu puncak) pesongan (7) dikenal pasti.Selepas memeriksa tepi tidak berongga secara visual, sepasang bingkai (atau dua bingkai dipisahkan dengan separuh tempoh masa) (7) telah dipilih dan pesongan hujung diukur (dilabelkan \(\mathbf {\times} \ ) Perkara di atas telah dilaksanakan dalam Python (v3.8, Yayasan Perisian Python, python.org) menggunakan algoritma pengesanan tepi OpenCV Canny (v4.5.1, perpustakaan penglihatan komputer sumber terbuka, opencv.org kuasa elektrik \ (P_T \) (W, rms) .
Pesongan hujung diukur menggunakan satu siri bingkai yang diambil daripada kamera berkelajuan tinggi pada 310 kHz menggunakan algoritma 7 langkah (1-7) termasuk pembingkaian (1-2), pengesanan tepi Canny (3-4), tepi lokasi piksel pengiraan (5) dan terbitan masanya (6), dan akhirnya pesongan hujung puncak ke puncak diukur pada pasangan bingkai yang diperiksa secara visual (7).
Pengukuran diambil dalam udara (22.4-22.9°C), air ternyahion (20.8-21.5°C) dan gelatin balistik 10% (w/v) (19.7-23.0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatin Tulang Lembu dan Babi untuk Analisis Balistik Jenis I, Honeywell International, North Carolina, Amerika Syarikat).Suhu diukur dengan penguat termokopel jenis K (AD595, Peranti Analog Inc., MA, Amerika Syarikat) dan termokopel jenis K (Probe Manik Fluke 80PK-1 No. 3648 jenis-K, Fluke Corporation, Washington, Amerika Syarikat).Dari sederhana Kedalaman diukur dari permukaan (ditetapkan sebagai asal paksi z) menggunakan peringkat paksi z bermotor menegak (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lithuania) dengan resolusi 5 µm.setiap langkah.
Oleh kerana saiz sampel adalah kecil (n = 5) dan kenormalan tidak boleh diandaikan, ujian jumlah dua-sampel Wilcoxon dua ekor (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) telah digunakan untuk membandingkan jumlah hujung jarum varians untuk serong yang berbeza.Terdapat 3 perbandingan setiap cerun, jadi pembetulan Bonferroni digunakan dengan tahap keertian yang diselaraskan 0.017 dan kadar ralat 5%.
Mari kita beralih kepada Rajah.7.Pada frekuensi 29.75 kHz, separuh gelombang lentur (\(\lambda_y/2\)) jarum 21-tolok ialah \(\lebih kurang) 8 mm.Apabila seseorang menghampiri hujung, panjang gelombang lentur berkurangan sepanjang sudut serong.Di hujung \(\lambda _y/2\) \(\anggaran\) terdapat langkah-langkah 3, 1 dan 7 mm untuk kecondongan berbentuk pisau pembedah biasa (a), asimetri (b) dan axisymmetric (c) bagi satu jarum. , masing-masing.Oleh itu, ini bermakna julat lancet ialah \(\lebih kurang) 5 mm (disebabkan fakta bahawa kedua-dua satah lancet membentuk satu titik29,30), serong asimetri ialah 7 mm, serong asimetri ialah 1 mm.Cerun Axisymmetric (pusat graviti kekal malar, jadi hanya ketebalan dinding paip yang berubah di sepanjang cerun).
Kajian FEM dan aplikasi persamaan pada frekuensi 29.75 kHz.(1) Apabila mengira variasi separuh gelombang lentur (\(\lambda_y/2\)) untuk geometri serong (a), asimetri (b) dan paksisimetri (c) (seperti dalam Rajah 1a,b,c) ).Nilai purata \(\lambda_y/2\) bagi serong lancet, asimetrik dan paksisimetri ialah 5.65, 5.17 dan 7.52 mm, masing-masing.Ambil perhatian bahawa ketebalan hujung untuk serong asimetrik dan paksisimetri adalah terhad kepada \(\lebih kurang) 50 µm.
Mobiliti puncak \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) ialah gabungan optimum panjang tiub (TL) dan panjang serong (BL) (Rajah 8, 9).Untuk lancet konvensional, kerana saiznya ditetapkan, TL optimum ialah \(\anggaran) 29.1 mm (Rajah 8).Untuk serong asimetri dan axisymmetric (Rajah 9a, b, masing-masing), kajian FEM memasukkan BL dari 1 hingga 7 mm, jadi TL optimum adalah dari 26.9 hingga 28.7 mm (julat 1.8 mm) dan dari 27.9 hingga 29 .2 mm (julat 1.3 mm), masing-masing.Untuk cerun asimetri (Rajah 9a), TL optimum meningkat secara linear, mencapai dataran tinggi pada BL 4 mm, dan kemudian menurun secara mendadak daripada BL 5 hingga 7 mm.Untuk serong axisymmetric (Rajah 9b), TL optimum meningkat secara linear dengan peningkatan BL dan akhirnya stabil pada BL daripada 6 hingga 7 mm.Kajian lanjutan kecondongan axisymmetric (Rajah 9c) mendedahkan set TL optimum yang berbeza pada \(\approx) 35.1–37.1 mm.Untuk semua BL, jarak antara dua TL terbaik ialah \(\approx\) 8mm (bersamaan dengan \(\lambda_y/2\)).
Mobiliti penghantaran lancet pada 29.75 kHz.Jarum diuja secara fleksibel pada frekuensi 29.75 kHz dan getaran diukur pada hujung jarum dan dinyatakan sebagai jumlah mobiliti mekanikal yang dihantar (dB berbanding nilai maksimum) untuk TL 26.5-29.5 mm (dalam kenaikan 0.1 mm) .
Kajian parametrik FEM pada frekuensi 29.75 kHz menunjukkan bahawa mobiliti pemindahan hujung axisymmetric kurang dipengaruhi oleh perubahan panjang tiub berbanding rakan asimetriknya.Kajian panjang serong (BL) dan panjang paip (TL) bagi geometri serong (a) dan paksisimetri (b, c) tidak simetri dalam kajian domain frekuensi menggunakan FEM (keadaan sempadan ditunjukkan dalam Rajah 2).(a, b) TL berjulat antara 26.5 hingga 29.5 mm (0.1 mm langkah) dan BL 1–7 mm (0.5 mm langkah).(c) Kajian kecondongan axisymmetric lanjutan termasuk TL 25–40 mm (dalam kenaikan 0.05 mm) dan BL 0.1–7 mm (dalam kenaikan 0.1 mm) menunjukkan bahawa \(\lambda_y/2\ ) mesti memenuhi keperluan hujung.keadaan sempadan yang bergerak.
Konfigurasi jarum mempunyai tiga frekuensi eigen \(f_{1-3}\) dibahagikan kepada kawasan mod rendah, sederhana dan tinggi seperti ditunjukkan dalam Jadual 1. Saiz PTE direkodkan seperti ditunjukkan dalam rajah.10 dan kemudian dianalisis dalam Rajah 11. Di bawah ialah penemuan bagi setiap kawasan modal:
Amplitud kecekapan pemindahan kuasa serta-merta (PTE) biasa yang direkodkan diperoleh dengan pengujaan sinusoidal frekuensi sapuan untuk lancet (L) dan serong axisymmetric AX1-3 dalam udara, air dan gelatin pada kedalaman 20 mm.Spektrum satu sisi ditunjukkan.Tindak balas frekuensi yang diukur (disampel pada 300 kHz) ditapis laluan rendah dan kemudian dikecilkan dengan faktor 200 untuk analisis modal.Nisbah isyarat kepada hingar ialah \(\le\) 45 dB.Fasa PTE (garis putus-putus ungu) ditunjukkan dalam darjah (\(^{\circ}\)).
Analisis tindak balas modal (min ± sisihan piawai, n = 5) ditunjukkan dalam Rajah 10, untuk cerun L dan AX1-3, dalam udara, air dan 10% gelatin (kedalaman 20 mm), dengan (atas) tiga kawasan modal ( rendah, pertengahan dan tinggi) dan frekuensi mod sepadannya\(f_{1-3 }\) (kHz), (purata) kecekapan tenaga \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Dikira menggunakan setara .(4) dan (bawah) lebar penuh pada separuh ukuran maksimum \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), masing-masing.Ambil perhatian bahawa ukuran lebar jalur telah dilangkau apabila PTE rendah didaftarkan, iaitu \(\text {FWHM}_{1}\) dalam kes cerun AX2.Mod \(f_2\) didapati paling sesuai untuk membandingkan pesongan cerun, kerana ia menunjukkan tahap kecekapan pemindahan kuasa tertinggi (\(\text {PTE}_{2}\)), sehingga 99%.
Rantau modal pertama: \(f_1\) tidak banyak bergantung pada jenis medium yang dimasukkan, tetapi bergantung pada geometri cerun.\(f_1\) berkurangan dengan berkurangan panjang serong (27.1, 26.2 dan 25.9 kHz dalam udara untuk AX1-3, masing-masing).Purata serantau \(\text {PTE}_{1}\) dan \(\text {FWHM}_{1}\) masing-masing ialah \(\approx\) 81% dan 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) mempunyai kandungan gelatin tertinggi dalam Lancet (L, 473 Hz).Ambil perhatian bahawa \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 dalam gelatin tidak dapat dinilai kerana amplitud FRF yang direkodkan rendah.
Rantau modal kedua: \(f_2\) bergantung pada jenis media yang dimasukkan dan serong.Nilai purata \(f_2\) ialah 29.1, 27.9 dan 28.5 kHz dalam udara, air dan gelatin, masing-masing.Rantau modal ini juga menunjukkan PTE yang tinggi sebanyak 99%, tertinggi daripada mana-mana kumpulan yang diukur, dengan purata serantau sebanyak 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) mempunyai purata serantau sebanyak \(\lebih kurang\) 910 Hz.
Rantau mod ketiga: kekerapan \(f_3\) bergantung pada jenis media dan serong.Nilai purata \(f_3\) masing-masing ialah 32.0, 31.0 dan 31.3 kHz dalam udara, air dan gelatin.Purata serantau \(\text {PTE}_{3}\) ialah \(\lebih kurang\) 74%, yang paling rendah daripada mana-mana rantau.Purata serantau \(\text {FWHM}_{3}\) ialah \(\lebih kurang\) 1085 Hz, yang lebih tinggi daripada kawasan pertama dan kedua.
       Berikut merujuk kepada Rajah.12 dan Jadual 2. Lancet (L) terpesong paling banyak (dengan kepentingan yang tinggi untuk semua petua, \(p<\) 0.017) dalam kedua-dua udara dan air (Rajah 12a), mencapai DPR tertinggi (sehingga 220 µm/ W di udara). 12 dan Jadual 2. Lancet (L) terpesong paling banyak (dengan kepentingan yang tinggi untuk semua petua, \(p<\) 0.017) dalam kedua-dua udara dan air (Rajah 12a), mencapai DPR tertinggi (sehingga 220 µm/ W di udara). Следующее относится к рисунку 12 dan таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значихдоть p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Perkara berikut digunakan pada Rajah 12 dan Jadual 2. Lancet (L) terpesong paling banyak (dengan kepentingan yang tinggi untuk semua petua, \(p<\) 0.017) dalam kedua-dua udara dan air (Rajah 12a), mencapai DPR tertinggi.(buat 220 μm/W dalam udara).Smt.Rajah 12 dan Jadual 2 di bawah.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）月 0.017） （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) mempunyai pesongan tertinggi dalam udara dan air (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0.017) (图12a), dan mencapai DPR tertinggi (sehingga 22W0 µm/m udara). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухиде иа воздух 2 ольшего DPR (sehingga 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) membelok paling banyak (kepentingan tinggi untuk semua petua, \(p<\) 0.017) dalam udara dan air (Rajah 12a), mencapai DPR tertinggi (sehingga 220 µm/W dalam udara). Di udara, AX1 yang mempunyai BL lebih tinggi, membelok lebih tinggi daripada AX2–3 (dengan keertian, \(p<\) 0.017), manakala AX3 (yang mempunyai BL terendah) membelok lebih daripada AX2 dengan DPR 190 µm/W. Di udara, AX1 yang mempunyai BL lebih tinggi, membelok lebih tinggi daripada AX2–3 (dengan keertian, \(p<\) 0.017), manakala AX3 (yang mempunyai BL terendah) membelok lebih daripada AX2 dengan DPR 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогды злонки AX3 больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Di udara, AX1 dengan BL yang lebih tinggi terpesong lebih tinggi daripada AX2–3 (dengan keertian \(p<\) 0.017), manakala AX3 (dengan BL terendah) terpesong lebih daripada AX2 dengan 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），而一月具有显着性。于AX2，DPR 为190 µm/W . Di udara, pesongan AX1 dengan BL yang lebih tinggi adalah lebih tinggi daripada AX2-3 (secara ketara, \(p<\) 0.017), dan pesongan AX3 (dengan BL terendah) adalah lebih besar daripada AX2, DPR ialah 190 µm/W . В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (мляется AX3) ольше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Di udara, AX1 dengan BL yang lebih tinggi membelok lebih daripada AX2-3 (signifikan, \(p<\) 0.017), manakala AX3 (dengan BL terendah) membelok lebih daripada AX2 dengan DPR 190 µm/W.Pada 20 mm air, pesongan dan PTE AX1–3 tidak berbeza secara signifikan (\(p>\) 0.017).Tahap PTE dalam air (90.2-98.4%) secara amnya lebih tinggi daripada di udara (56-77.5%) (Rajah 12c), dan fenomena peronggaan telah diperhatikan semasa eksperimen dalam air (Rajah 13, lihat juga tambahan maklumat).
Jumlah pesongan hujung (min ± SD, n = 5) yang diukur untuk serong L dan AX1-3 dalam udara dan air (kedalaman 20 mm) menunjukkan kesan perubahan geometri serong.Pengukuran diperoleh menggunakan pengujaan sinusoidal frekuensi tunggal berterusan.(a) Sisihan puncak ke puncak (\(u_y\vec {j}\)) pada hujung, diukur pada (b) frekuensi modal masing-masing \(f_2\).(c) Kecekapan pemindahan kuasa (PTE, RMS, %) persamaan.(4) dan (d) Faktor kuasa pesongan (DPR, µm/W) dikira sebagai sisihan puncak-ke-puncak dan kuasa elektrik dihantar \(P_T\) (Wrms).
Plot bayangan kamera berkelajuan tinggi biasa yang menunjukkan sisihan puncak ke puncak (garis titik hijau dan merah) bagi lancet (L) dan hujung axisymmetric (AX1–3) dalam air (kedalaman 20 mm) sepanjang separuh kitaran.kitaran, pada frekuensi pengujaan \(f_2\) (frekuensi pensampelan 310 kHz).Imej skala kelabu yang ditangkap mempunyai saiz 128×128 piksel dan saiz piksel \(\lebih kurang\) 5 µm.Video boleh didapati dalam maklumat tambahan.
Oleh itu, kami memodelkan perubahan dalam panjang gelombang lentur (Rajah 7) dan mengira mobiliti mekanikal yang boleh dipindahkan untuk gabungan panjang paip dan talang (Rajah 8, 9) untuk lancet konvensional, asimetri dan paksisimetrik talong bentuk geometri.Berdasarkan yang terakhir, kami menganggarkan jarak optimum 43 mm (atau \(\ lebih kurang) 2.75\(\lambda _y\) pada 29.75 kHz) dari hujung ke kimpalan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, dan membuat Tiga paksisimetri serong dengan panjang serong yang berbeza.Kami kemudiannya mencirikan tingkah laku frekuensi mereka dalam udara, air, dan 10% (w/v) gelatin balistik berbanding dengan lancet konvensional (Rajah 10, 11) dan menentukan mod yang paling sesuai untuk perbandingan pesongan serong.Akhir sekali, kami mengukur pesongan hujung dengan membengkokkan gelombang dalam udara dan air pada kedalaman 20 mm dan mengukur kecekapan pemindahan kuasa (PTE, %) dan faktor kuasa pesongan (DPR, µm/W) bagi medium sisipan untuk setiap serong.jenis sudut (Rajah 12).
Geometri serong jarum telah ditunjukkan mempengaruhi jumlah pesongan hujung jarum.Lancet mencapai pesongan tertinggi dan DPR tertinggi berbanding serong paksisimetri dengan pesongan purata yang lebih rendah (Rajah 12).Serong paksisimetri 4 mm (AX1) dengan serong terpanjang mencapai pesongan maksimum yang ketara secara statistik dalam udara berbanding jarum paksisimetri yang lain (AX2–3) (\(p < 0.017\), Jadual 2), tetapi tidak terdapat perbezaan yang ketara .diperhatikan apabila jarum dimasukkan ke dalam air.Oleh itu, tiada kelebihan yang jelas untuk mempunyai panjang serong yang lebih panjang dari segi pesongan puncak pada hujungnya.Dengan ini, ternyata geometri serong yang dikaji dalam kajian ini mempunyai pengaruh yang lebih besar terhadap jumlah pesongan berbanding panjang serong.Ini mungkin disebabkan oleh kekakuan lenturan, contohnya bergantung pada ketebalan keseluruhan bahan yang dibengkokkan dan reka bentuk jarum.
Dalam kajian eksperimen, magnitud gelombang lentur yang dipantulkan dipengaruhi oleh keadaan sempadan hujung.Apabila hujung jarum dimasukkan ke dalam air dan gelatin, \(\text {PTE}_{2}\) ialah \(\anggaran\) 95%, dan \(\text {PTE}_{ 2}\) ialah \ (\text {PTE}_{ 2}\) nilainya ialah 73% dan 77% untuk (\text {PTE}_{1}\) dan \(\text {PTE}_{3}\), masing-masing (Rajah 11).Ini menunjukkan bahawa pemindahan maksimum tenaga akustik ke medium tuangan, iaitu air atau gelatin, berlaku pada \(f_2\).Tingkah laku yang sama telah diperhatikan dalam kajian terdahulu31 menggunakan konfigurasi peranti yang lebih mudah dalam julat frekuensi 41-43 kHz, di mana pengarang menunjukkan pergantungan pekali pantulan voltan pada modulus mekanikal medium benam.Kedalaman penembusan32 dan sifat mekanikal tisu memberikan beban mekanikal pada jarum dan oleh itu dijangka mempengaruhi tingkah laku resonan UZEFNAB.Oleh itu, algoritma pengesanan resonans (cth 17, 18, 33) boleh digunakan untuk mengoptimumkan kuasa akustik yang dihantar melalui jarum.
Simulasi pada panjang gelombang lentur (Rajah 7) menunjukkan bahawa hujung paksisimetri secara strukturnya lebih tegar (iaitu, lebih tegar dalam lenturan) daripada lancet dan serong tidak simetri.Berdasarkan (1) dan menggunakan hubungan halaju-frekuensi yang diketahui, kami menganggarkan kekukuhan lenturan pada hujung jarum sebagai \(\kira-kira\) 200, 20 dan 1500 MPa untuk satah lancet, asimetri dan condong paksi, masing-masing.Ini sepadan dengan \(\lambda_y\) daripada \(\lebih kurang\) 5.3, 1.7, dan 14.2 mm, masing-masing, pada 29.75 kHz (Rajah 7a–c).Memandangkan keselamatan klinikal semasa USeFNAB, kesan geometri pada kekakuan struktur satah condong harus dinilai34.
Kajian tentang parameter serong berbanding dengan panjang tiub (Rajah 9) menunjukkan bahawa julat penghantaran optimum adalah lebih tinggi untuk serong asimetri (1.8 mm) berbanding serong axisymmetric (1.3 mm).Di samping itu, mobiliti adalah stabil pada \(\anggaran) dari 4 hingga 4.5 mm dan dari 6 hingga 7 mm untuk kecondongan asimetri dan paksisimetri, masing-masing (Rajah 9a, b).Kepentingan praktikal penemuan ini dinyatakan dalam toleransi pembuatan, contohnya, julat TL optimum yang lebih rendah mungkin bermakna bahawa ketepatan panjang yang lebih besar diperlukan.Pada masa yang sama, dataran tinggi mobiliti memberikan toleransi yang lebih besar untuk memilih panjang celupan pada frekuensi tertentu tanpa kesan ketara ke atas mobiliti.
Kajian ini merangkumi batasan berikut.Pengukuran langsung pesongan jarum menggunakan pengesanan tepi dan pengimejan berkelajuan tinggi (Rajah 12) bermakna kita terhad kepada media telus optik seperti udara dan air.Kami juga ingin menunjukkan bahawa kami tidak menggunakan eksperimen untuk menguji mobiliti pemindahan simulasi dan sebaliknya, tetapi menggunakan kajian FEM untuk menentukan panjang optimum untuk fabrikasi jarum.Berkenaan dengan batasan praktikal, panjang lancet dari hujung ke lengan adalah \(\anggaran) 0.4 cm lebih panjang daripada jarum lain (AX1-3), lihat rajah.3b.Ini boleh menjejaskan tindak balas modal reka bentuk jarum.Di samping itu, bentuk dan isipadu pateri pada hujung pin pandu gelombang (lihat Rajah 3) boleh menjejaskan impedans mekanikal reka bentuk pin, memperkenalkan ralat dalam impedans mekanikal dan tingkah laku lentur.
Akhir sekali, kami telah menunjukkan bahawa geometri serong eksperimen mempengaruhi jumlah pesongan dalam USeFNAB.Jika pesongan yang lebih besar akan memberi kesan positif pada kesan jarum pada tisu, seperti kecekapan pemotongan selepas menindik, maka lancet konvensional boleh disyorkan dalam USeFNAB kerana ia memberikan pesongan maksimum sambil mengekalkan kekakuan yang mencukupi pada hujung struktur..Selain itu, kajian terbaru35 telah menunjukkan bahawa pesongan hujung yang lebih besar boleh meningkatkan kesan biologi seperti peronggaan, yang boleh memudahkan pembangunan aplikasi pembedahan invasif minimum.Memandangkan peningkatan jumlah kuasa akustik telah ditunjukkan untuk meningkatkan bilangan biopsi dalam USeFNAB13, kajian kuantitatif selanjutnya mengenai kuantiti dan kualiti sampel diperlukan untuk menilai faedah klinikal terperinci geometri jarum yang dikaji.