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.
Berdasarkan persilangan antara disiplin fizik dan sains hayat, strategi diagnostik dan terapeutik berdasarkan perubatan ketepatan baru-baru ini telah menarik perhatian yang besar kerana kebolehgunaan praktikal kaedah kejuruteraan baharu dalam banyak bidang perubatan, terutamanya dalam onkologi.Dalam rangka kerja ini, penggunaan ultrasound untuk menyerang sel-sel kanser dalam tumor untuk menyebabkan kemungkinan kerosakan mekanikal pada pelbagai skala semakin menarik perhatian saintis di seluruh dunia.Dengan mengambil kira faktor-faktor ini, berdasarkan penyelesaian pemasaan elastodinamik dan simulasi berangka, kami membentangkan kajian awal simulasi komputer perambatan ultrasound dalam tisu untuk memilih frekuensi dan kuasa yang sesuai dengan penyinaran tempatan.Platform diagnostik baharu untuk teknologi On-Fiber makmal, dipanggil jarum hospital dan sudah dipatenkan.Adalah dipercayai bahawa hasil analisis dan pandangan biofizikal yang berkaitan boleh membuka jalan kepada pendekatan diagnostik dan terapeutik bersepadu baharu yang boleh memainkan peranan penting dalam aplikasi perubatan ketepatan pada masa hadapan, yang diambil dari bidang fizik.Sinergi yang semakin meningkat antara biologi bermula.
Dengan pengoptimuman sejumlah besar aplikasi klinikal, keperluan untuk mengurangkan kesan sampingan pada pesakit secara beransur-ansur mula muncul.Untuk tujuan ini, ubat ketepatan1, 2, 3, 4, 5 telah menjadi matlamat strategik untuk mengurangkan dos ubat yang dihantar kepada pesakit, pada asasnya mengikut dua pendekatan utama.Yang pertama adalah berdasarkan rawatan yang direka mengikut profil genomik pesakit.Yang kedua, yang menjadi standard emas dalam onkologi, bertujuan untuk mengelakkan prosedur penyampaian ubat sistemik dengan cuba melepaskan sejumlah kecil ubat, pada masa yang sama meningkatkan ketepatan melalui penggunaan terapi tempatan.Matlamat utama adalah untuk menghapuskan atau sekurang-kurangnya meminimumkan kesan negatif daripada banyak pendekatan terapeutik, seperti kemoterapi atau pentadbiran sistemik radionuklid.Bergantung pada jenis kanser, lokasi, dos sinaran dan faktor lain, terapi sinaran pun boleh mempunyai risiko yang tinggi kepada tisu yang sihat.Dalam rawatan pembedahan glioblastoma6,7,8,9 berjaya membuang kanser yang mendasari, tetapi walaupun tanpa metastasis, banyak infiltrat kanser kecil mungkin hadir.Jika ia tidak dikeluarkan sepenuhnya, jisim kanser baru boleh tumbuh dalam tempoh yang agak singkat.Dalam konteks ini, strategi perubatan ketepatan yang dinyatakan di atas adalah sukar untuk digunakan kerana penyusupan ini sukar untuk dikesan dan tersebar di kawasan yang luas.Halangan ini menghalang keputusan muktamad dalam mencegah sebarang pengulangan dengan ubat ketepatan, jadi kaedah penghantaran sistemik diutamakan dalam sesetengah kes, walaupun ubat yang digunakan boleh mempunyai tahap ketoksikan yang sangat tinggi.Untuk mengatasi masalah ini, pendekatan rawatan yang ideal adalah dengan menggunakan strategi invasif minimum yang boleh menyerang sel-sel kanser secara selektif tanpa menjejaskan tisu yang sihat.Berdasarkan hujah ini, penggunaan getaran ultrasonik, yang telah terbukti mempengaruhi sel-sel kanser dan sihat secara berbeza, dalam sistem uniselular dan dalam kelompok heterogen skala meso, kelihatan seperti penyelesaian yang mungkin.
Dari sudut mekanistik, sel yang sihat dan kanser sebenarnya mempunyai frekuensi resonans semula jadi yang berbeza.Sifat ini dikaitkan dengan perubahan onkogenik dalam sifat mekanikal struktur sitoskeletal sel kanser12,13, manakala sel tumor, secara purata, lebih mudah ubah bentuk daripada sel normal.Oleh itu, dengan pilihan frekuensi ultrabunyi yang optimum untuk rangsangan, getaran yang disebabkan di kawasan terpilih boleh menyebabkan kerosakan pada struktur kanser yang hidup, meminimumkan kesan ke atas persekitaran sihat hos.Kesan yang belum difahami sepenuhnya ini mungkin termasuk kemusnahan komponen struktur selular tertentu disebabkan oleh getaran frekuensi tinggi yang disebabkan oleh ultrasound (pada prinsipnya hampir sama dengan lithotripsy14) dan kerosakan selular akibat fenomena yang serupa dengan keletihan mekanikal, yang seterusnya boleh mengubah struktur selular. .pengaturcaraan dan mekanobiologi.Walaupun penyelesaian teori ini nampaknya sangat sesuai, malangnya ia tidak boleh digunakan dalam kes di mana struktur biologi anechoic menghalang penggunaan langsung ultrasound, contohnya, dalam aplikasi intrakranial kerana kehadiran tulang, dan beberapa jisim tumor payudara terletak di adiposa. tisu.Pengecilan mungkin mengehadkan tapak kesan terapeutik yang berpotensi.Untuk mengatasi masalah ini, ultrabunyi mesti digunakan secara tempatan dengan transduser yang direka khas yang boleh mencapai tapak yang disinari dengan seberapa invasif yang mungkin.Dengan ini, kami mempertimbangkan kemungkinan menggunakan idea yang berkaitan dengan kemungkinan mewujudkan platform teknologi inovatif yang dipanggil "hospital jarum"15.Konsep "Hospital dalam Jarum" melibatkan pembangunan instrumen perubatan invasif minimum untuk aplikasi diagnostik dan terapeutik, berdasarkan gabungan pelbagai fungsi dalam satu jarum perubatan.Seperti yang dibincangkan dengan lebih terperinci dalam bahagian Jarum Hospital, peranti padat ini terutamanya berdasarkan kelebihan probe gentian optik 16, 17, 18, 19, 20, 21, yang, kerana ciri-cirinya, sesuai untuk dimasukkan ke dalam standard 20 jarum perubatan, 22 lumen.Memanfaatkan fleksibiliti yang diberikan oleh teknologi Lab-on-Fiber (LOF)23, gentian secara berkesan menjadi platform unik untuk peranti diagnostik dan terapeutik yang kecil dan sedia untuk digunakan, termasuk biopsi cecair dan peranti biopsi tisu.dalam pengesanan biomolekul24,25, penghantaran ubat tempatan berpandukan cahaya26,27, pengimejan ultrabunyi tempatan berketepatan tinggi28, terapi haba29,30 dan pengenalan tisu kanser berasaskan spektroskopi31.Dalam konsep ini, menggunakan pendekatan penyetempatan berdasarkan peranti "jarum di hospital", kami menyiasat kemungkinan mengoptimumkan rangsangan tempatan struktur biologi pemastautin dengan menggunakan perambatan gelombang ultrasound melalui jarum untuk merangsang gelombang ultrasound dalam kawasan yang diminati..Oleh itu, ultrabunyi terapeutik intensiti rendah boleh digunakan terus ke kawasan berisiko dengan invasif minimum untuk sel-sel sonikasi dan pembentukan pepejal kecil dalam tisu lembut, seperti dalam kes pembedahan intrakranial yang disebutkan di atas, lubang kecil di tengkorak mesti dimasukkan dengan jarum.Diilhamkan oleh keputusan teori dan eksperimen terkini yang menunjukkan bahawa ultrasound boleh menghentikan atau melambatkan perkembangan kanser tertentu,32,33,34 pendekatan yang dicadangkan boleh membantu menangani, sekurang-kurangnya pada dasarnya, pertukaran utama antara kesan agresif dan kuratif.Dengan pertimbangan ini, dalam kertas kerja ini, kami menyiasat kemungkinan menggunakan peranti jarum dalam hospital untuk terapi ultrasound invasif minimum untuk kanser.Lebih tepat lagi, dalam bahagian Analisis Penyerakan Jisim Tumor Sfera untuk Menganggar Kekerapan Ultrabunyi Bergantung Pertumbuhan, kami menggunakan kaedah elastodinamik yang mantap dan teori serakan akustik untuk meramalkan saiz tumor pepejal sfera yang tumbuh dalam medium elastik.kekakuan yang berlaku di antara tumor dan tisu perumah akibat pembentukan semula bahan yang disebabkan oleh pertumbuhan.Setelah menerangkan sistem kami, yang kami panggil bahagian "Hospital dalam Jarum", dalam bahagian "Hospital dalam Jarum", kami menganalisis penyebaran gelombang ultrasonik melalui jarum perubatan pada frekuensi yang diramalkan dan model berangkanya menyinari persekitaran untuk dikaji. parameter geometri utama (diameter dalaman sebenar, panjang dan ketajaman jarum), menjejaskan penghantaran kuasa akustik instrumen.Memandangkan keperluan untuk membangunkan strategi kejuruteraan baharu untuk perubatan ketepatan, adalah dipercayai bahawa kajian yang dicadangkan itu boleh membantu membangunkan alat baharu untuk rawatan kanser berdasarkan penggunaan ultrasound yang disampaikan melalui platform theragnostik bersepadu yang mengintegrasikan ultrasound dengan penyelesaian lain.Digabungkan, seperti penghantaran ubat yang disasarkan dan diagnostik masa nyata dalam satu jarum.
Keberkesanan menyediakan strategi mekanistik untuk rawatan tumor pepejal setempat menggunakan rangsangan ultrasonik (ultrabunyi) telah menjadi matlamat beberapa kertas kerja yang membincangkan secara teori dan eksperimen dengan kesan getaran ultrasonik intensiti rendah pada sistem sel tunggal 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Menggunakan model viskoelastik, beberapa penyiasat telah menunjukkan secara analitik bahawa tumor dan sel-sel sihat mempamerkan tindak balas frekuensi yang berbeza yang dicirikan oleh puncak resonan yang berbeza dalam julat AS 10,11,12.Keputusan ini menunjukkan bahawa, pada dasarnya, sel tumor boleh diserang secara selektif oleh rangsangan mekanikal yang memelihara persekitaran perumah.Tingkah laku ini adalah akibat langsung daripada bukti utama bahawa, dalam kebanyakan kes, sel tumor lebih mudah dibentuk daripada sel yang sihat, mungkin untuk meningkatkan keupayaan mereka untuk membiak dan berhijrah37,38,39,40.Berdasarkan keputusan yang diperoleh dengan model sel tunggal, contohnya pada skala mikro, selektiviti sel kanser juga telah ditunjukkan pada skala meso melalui kajian berangka bagi tindak balas harmonik agregat sel heterogen.Menyediakan peratusan sel kanser dan sel sihat yang berbeza, agregat multiselular bersaiz ratusan mikrometer telah dibina secara hierarki.Pada peringkat meso agregat ini, beberapa ciri mikroskopik yang menarik dipelihara kerana pelaksanaan langsung unsur-unsur struktur utama yang mencirikan kelakuan mekanikal sel tunggal.Khususnya, setiap sel menggunakan seni bina berasaskan tensegriti untuk meniru tindak balas pelbagai struktur sitoskeletal prategasan, dengan itu menjejaskan kekakuan keseluruhannya12,13.Ramalan teori dan eksperimen in vitro kesusasteraan di atas telah memberikan hasil yang menggalakkan, menunjukkan keperluan untuk mengkaji sensitiviti jisim tumor kepada ultrasound terapeutik intensiti rendah (LITUS), dan penilaian kekerapan penyinaran jisim tumor adalah penting.jawatan LITUS untuk permohonan di tapak.
Walau bagaimanapun, pada peringkat tisu, penerangan submakroskopik bagi komponen individu tidak dapat dielakkan hilang, dan sifat-sifat tisu tumor boleh dikesan menggunakan kaedah berurutan untuk mengesan pertumbuhan jisim dan proses pembentukan semula yang disebabkan oleh tekanan, dengan mengambil kira kesan makroskopik pertumbuhan.-perubahan yang disebabkan dalam keanjalan tisu pada skala 41.42.Sesungguhnya, tidak seperti sistem unisel dan agregat, jisim tumor pepejal tumbuh dalam tisu lembut disebabkan oleh pengumpulan beransur-ansur tegasan sisa yang menyimpang, yang mengubah sifat mekanikal semula jadi akibat peningkatan ketegaran intratumoral keseluruhan, dan sklerosis tumor sering menjadi faktor penentu dalam pengesanan tumor.
Dengan pertimbangan ini, di sini kami menganalisis tindak balas sonodinamik sfera tumor yang dimodelkan sebagai kemasukan sfera elastik yang tumbuh dalam persekitaran tisu biasa.Lebih tepat lagi, sifat elastik yang berkaitan dengan peringkat tumor ditentukan berdasarkan hasil teori dan eksperimen yang diperolehi oleh beberapa pengarang dalam kerja sebelumnya.Antaranya, evolusi spheroid tumor pepejal yang ditanam dalam vivo dalam media heterogen telah dikaji dengan menggunakan model mekanikal bukan linear 41,43,44 dalam kombinasi dengan dinamik interspesies untuk meramalkan perkembangan jisim tumor dan tekanan intratumoral yang berkaitan.Seperti yang dinyatakan di atas, pertumbuhan (cth, praregangan tidak anjal) dan tekanan sisa menyebabkan pembentukan semula progresif sifat bahan tumor, dengan itu juga mengubah tindak balas akustiknya.Adalah penting untuk diperhatikan bahawa dalam rujukan.41 evolusi bersama pertumbuhan dan tekanan pepejal dalam tumor telah ditunjukkan dalam kempen eksperimen dalam model haiwan.Khususnya, perbandingan kekakuan jisim tumor payudara yang direseksi pada peringkat berbeza dengan kekakuan yang diperoleh dengan menghasilkan semula keadaan yang serupa dalam siliko pada model unsur terhingga sfera dengan dimensi yang sama dan mengambil kira medan tegasan baki yang diramalkan mengesahkan kaedah yang dicadangkan untuk kesahan model..Dalam kerja ini, keputusan teori dan eksperimen yang diperoleh sebelum ini digunakan untuk membangunkan strategi terapeutik baru yang dibangunkan.Khususnya, saiz yang diramalkan dengan sifat rintangan evolusi yang sepadan telah dikira di sini, yang dengan itu digunakan untuk menganggarkan julat frekuensi yang mana jisim tumor yang tertanam dalam persekitaran perumah lebih sensitif.Untuk tujuan ini, kami menyiasat kelakuan dinamik jisim tumor pada peringkat yang berbeza, diambil pada peringkat yang berbeza, dengan mengambil kira penunjuk akustik mengikut prinsip hamburan yang diterima umum sebagai tindak balas kepada rangsangan ultrasonik dan menonjolkan kemungkinan fenomena resonans sferoid. .bergantung kepada tumor dan perumah Perbezaan bergantung kepada pertumbuhan dalam kekakuan antara tisu.
Oleh itu, jisim tumor telah dimodelkan sebagai sfera elastik jejari \(a\) dalam persekitaran elastik sekitar hos berdasarkan data eksperimen yang menunjukkan bagaimana struktur malignan besar tumbuh in situ dalam bentuk sfera.Merujuk kepada Rajah 1, menggunakan koordinat sfera \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (di mana \(\theta\) dan \(\varphi\) masing-masing mewakili sudut anomali dan sudut azimut), domain tumor menduduki Wilayah yang tertanam dalam ruang yang sihat \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) rantau tidak terhad \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Merujuk kepada Maklumat Tambahan (SI) untuk penerangan lengkap model matematik berdasarkan asas elastodinamik yang mantap yang dilaporkan dalam banyak literatur45,46,47,48, kami menganggap di sini sebagai masalah yang dicirikan oleh mod ayunan axisymmetric.Andaian ini membayangkan bahawa semua pembolehubah dalam tumor dan kawasan yang sihat adalah bebas daripada koordinat azimut \(\varphi\) dan bahawa tiada herotan berlaku ke arah ini.Akibatnya, medan sesaran dan tegasan boleh diperoleh daripada dua potensi skalar \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) dan \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , mereka ialah masing-masing berkaitan dengan gelombang longitudinal dan gelombang ricih, masa kebetulan t antara lonjakan \(\theta \) dan sudut antara arah gelombang kejadian dan vektor kedudukan \({\mathbf {x))\) ( seperti yang ditunjukkan dalam rajah 1) dan \(\omega = 2\pi f\) mewakili frekuensi sudut.Khususnya, medan kejadian dimodelkan oleh gelombang satah \(\phi_{H}^{(dalam)}\) (juga diperkenalkan dalam sistem SI, dalam persamaan (A.9)) merambat ke dalam isipadu badan mengikut ungkapan undang-undang
dengan \(\phi_{0}\) ialah parameter amplitud.Pengembangan sfera gelombang satah kejadian (1) menggunakan fungsi gelombang sfera ialah hujah standard:
Di mana \(j_{n}\) ialah fungsi Bessel sfera bagi jenis tertib pertama \(n\), dan \(P_{n}\) ialah polinomial Legendre.Sebahagian daripada gelombang kejadian sfera pelaburan bertaburan dalam medium sekeliling dan bertindih dengan medan kejadian, manakala sebahagian lagi bertaburan di dalam sfera, menyumbang kepada getarannya.Untuk melakukan ini, penyelesaian harmonik persamaan gelombang \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) dan \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), disediakan sebagai contoh oleh Eringen45 (lihat juga SI ) mungkin menunjukkan tumor dan kawasan yang sihat.Khususnya, gelombang pengembangan bertaburan dan gelombang isovolumik yang dihasilkan dalam medium perumah \(H\) mengakui tenaga potensi masing-masing:
Antaranya, fungsi Hankel sfera jenis pertama \(h_{n}^{(1)}\) digunakan untuk mempertimbangkan gelombang taburan keluar, dan \(\alpha_{n}\) dan \(\beta_{ n}\ ) ialah pekali yang tidak diketahui.dalam persamaan.Dalam persamaan (2)–(4), istilah \(k_{H1}\) dan \(k_{H2}\) masing-masing menunjukkan nombor gelombang jarang dan gelombang melintang di kawasan utama badan ( lihat SI).Medan mampatan di dalam tumor dan anjakan mempunyai bentuk
Di mana \(k_{T1}\) dan \(k_{T2}\) mewakili nombor gelombang membujur dan melintang di kawasan tumor, dan pekali yang tidak diketahui ialah \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Berdasarkan keputusan ini, komponen anjakan jejari dan lilitan bukan sifar adalah ciri kawasan sihat dalam masalah yang sedang dipertimbangkan, seperti \(u_{Hr}\) dan \(u_{H\theta}\) (\(u_{ H\ varphi }\ ) andaian simetri tidak lagi diperlukan) — boleh diperolehi daripada hubungan \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \kanan) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) dan \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\) dengan membentuk \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) dan \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (lihat SI untuk terbitan matematik terperinci).Begitu juga, menggantikan \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) dan \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\) mengembalikan {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) dan \(u_{T\theta} = r^{-1}\sebahagian _{\theta }\kiri({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\kanan)\).
(Kiri) Geometri tumor sfera yang tumbuh dalam persekitaran yang sihat di mana medan kejadian merambat, (kanan) Evolusi sepadan nisbah kekakuan perumah tumor sebagai fungsi jejari tumor, data yang dilaporkan (diadaptasi daripada Carotenuto et al. 41) daripada ujian mampatan vitro diperolehi daripada tumor payudara pepejal yang disuntik dengan sel MDA-MB-231.
Dengan mengandaikan bahan elastik dan isotropik linear, komponen tegasan bukan sifar di kawasan sihat dan tumor, iaitu \(\sigma_{Hpq}\) dan \(\sigma_{Tpq}\) – mematuhi undang-undang Hooke umum, memandangkan terdapat adalah moduli Lamé yang berbeza, yang mencirikan keanjalan perumah dan tumor, dilambangkan sebagai \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) dan \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (lihat Persamaan (A.11) untuk ungkapan penuh komponen tegasan yang diwakili dalam SI).Khususnya, menurut data dalam rujukan 41 dan dibentangkan dalam Rajah 1, tumor yang semakin meningkat menunjukkan perubahan dalam pemalar keanjalan tisu.Oleh itu, anjakan dan tegasan dalam kawasan perumah dan tumor ditentukan sepenuhnya sehingga satu set pemalar yang tidak diketahui \({{ \varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) secara teorinya mempunyai dimensi tak terhingga.Untuk mencari vektor pekali ini, antara muka yang sesuai dan keadaan sempadan antara tumor dan kawasan yang sihat diperkenalkan.Dengan mengandaikan pengikatan sempurna pada antara muka perumah tumor \(r = a\), kesinambungan anjakan dan tegasan memerlukan syarat berikut:
Sistem (7) membentuk sistem persamaan dengan penyelesaian tak terhingga.Selain itu, setiap syarat sempadan akan bergantung pada anomali \(\theta\).Untuk mengurangkan masalah nilai sempadan kepada masalah algebra lengkap dengan set \(N\) sistem tertutup, setiap satunya adalah dalam \({{\varvec{\upxi}}}}_{n} = \{ \alpha_ yang tidak diketahui {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (dengan \ ( N \ kepada \infty \), secara teori), dan untuk menghapuskan pergantungan persamaan pada sebutan trigonometri, keadaan antara muka ditulis dalam bentuk lemah menggunakan keortogonan polinomial Legendre.Khususnya, persamaan (7)1,2 dan (7)3,4 didarab dengan \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) dan \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) dan kemudian integrasikan antara \(0\) dan \(\pi\) menggunakan identiti matematik:
Oleh itu, keadaan antara muka (7) mengembalikan sistem persamaan algebra kuadratik, yang boleh dinyatakan dalam bentuk matriks sebagai \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) dan dapatkan \({{\varvec{\upxi}}}}_{n}\ ) yang tidak diketahui dengan menyelesaikan peraturan Cramer .
Untuk menganggarkan fluks tenaga yang diserak oleh sfera dan mendapatkan maklumat tentang tindak balas akustiknya berdasarkan data pada medan berselerak yang merambat dalam medium perumah, kuantiti akustik adalah menarik, iaitu keratan rentas serakan bistatik yang dinormalkan.Khususnya, keratan rentas serakan, ditandakan \(s), menyatakan nisbah antara kuasa akustik yang dihantar oleh isyarat berserakan dan pembahagian tenaga yang dibawa oleh gelombang kejadian.Dalam hal ini, magnitud fungsi bentuk \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) ialah kuantiti yang kerap digunakan dalam kajian mekanisme akustik tertanam dalam cecair atau pepejal Penyerakan objek dalam sedimen.Lebih tepat lagi, amplitud fungsi bentuk ditakrifkan sebagai keratan rentas serakan pembezaan \(ds\) per unit luas, yang berbeza mengikut normal kepada arah perambatan gelombang kejadian:
di mana \(f_{n}^{pp}\) dan \(f_{n}^{ps}\) menandakan fungsi modal, yang merujuk kepada nisbah kuasa gelombang membujur dan gelombang bertaburan berbanding dengan gelombang P kejadian dalam medium penerima, masing-masing, diberikan dengan ungkapan berikut:
Fungsi gelombang separa (10) boleh dikaji secara bebas mengikut teori serakan resonans (RST)49,50,51,52, yang memungkinkan untuk memisahkan keanjalan sasaran daripada jumlah medan sesat apabila mengkaji mod yang berbeza.Mengikut kaedah ini, fungsi bentuk modal boleh diuraikan kepada jumlah dua bahagian yang sama, iaitu \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) adalah berkaitan dengan amplitud latar belakang resonan dan bukan resonan, masing-masing.Fungsi bentuk mod resonan adalah berkaitan dengan tindak balas sasaran, manakala latar belakang biasanya berkaitan dengan bentuk penyebar.Untuk mengesan forman pertama sasaran bagi setiap mod, amplitud bagi fungsi bentuk resonans modal \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) dikira dengan mengandaikan latar belakang keras, yang terdiri daripada sfera yang tidak boleh ditembusi dalam bahan perumah anjal.Hipotesis ini didorong oleh fakta bahawa, secara amnya, kedua-dua kekakuan dan ketumpatan meningkat dengan pertumbuhan jisim tumor disebabkan oleh tekanan mampatan sisa.Oleh itu, pada tahap pertumbuhan yang teruk, nisbah impedans \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) dijangka lebih besar daripada 1 untuk kebanyakan tumor pepejal makroskopik yang berkembang dalam bentuk lembut. tisu.Sebagai contoh, Krouskop et al.53 melaporkan nisbah kanser kepada modulus normal kira-kira 4 untuk tisu prostat, manakala nilai ini meningkat kepada 20 untuk sampel tisu payudara.Hubungan ini tidak dapat dielakkan mengubah impedans akustik tisu, seperti yang ditunjukkan oleh analisis elastografi54,55,56, dan mungkin berkaitan dengan penebalan tisu setempat yang disebabkan oleh hiperproliferasi tumor.Perbezaan ini juga telah diperhatikan secara eksperimen dengan ujian mampatan mudah bagi blok tumor payudara yang tumbuh pada peringkat yang berbeza32, dan pembentukan semula bahan boleh diikuti dengan baik dengan model ramalan silang spesies tumor bukan linear yang tumbuh43,44.Data kekakuan yang diperolehi secara langsung berkaitan dengan evolusi modulus Young tumor pepejal mengikut formula \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( sfera dengan jejari \(a\), kekakuan \(S\) dan nisbah Poisson \(\nu\) antara dua plat tegar 57, seperti ditunjukkan dalam Rajah 1).Oleh itu, adalah mungkin untuk mendapatkan ukuran impedans akustik tumor dan hos pada tahap pertumbuhan yang berbeza.Khususnya, berbanding dengan modulus tisu normal bersamaan dengan 2 kPa dalam Rajah 1, modulus elastik tumor payudara dalam julat volum kira-kira 500 hingga 1250 mm3 menghasilkan peningkatan daripada kira-kira 10 kPa kepada 16 kPa, iaitu konsisten dengan data yang dilaporkan.dalam rujukan 58, 59 didapati bahawa tekanan dalam sampel tisu payudara ialah 0.25–4 kPa dengan pramampatan yang hilang.Andaikan juga bahawa nisbah Poisson bagi tisu yang hampir tidak boleh mampat ialah 41.60, yang bermaksud bahawa ketumpatan tisu tidak berubah dengan ketara apabila isipadu meningkat.Khususnya, purata kepadatan populasi jisim \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61 digunakan.Dengan pertimbangan ini, kekakuan boleh mengambil mod latar belakang menggunakan ungkapan berikut:
Di mana pemalar yang tidak diketahui \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) boleh dikira dengan mengambil kira kesinambungan bias ( 7 )2,4, iaitu dengan menyelesaikan sistem algebra \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) melibatkan kanak-kanak bawah umur\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) dan vektor lajur ringkas yang sepadan\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) dan \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \kiri( \theta \kanan)} \kanan|= \kiri|{f_{n}^{ps} \kiri( \theta \kanan) – f_{n}^{ps(b)} \kiri( \ theta \right)} \right|\) merujuk kepada pengujaan gelombang P dan pantulan gelombang P dan S, masing-masing.Selanjutnya, amplitud pertama dianggarkan sebagai \(\theta = \pi\), dan amplitud kedua dianggarkan sebagai \(\theta = \pi/4\).Dengan memuatkan pelbagai sifat komposisi.Rajah 2 menunjukkan bahawa ciri-ciri resonan sferoid tumor sehingga kira-kira 15 mm diameter tertumpu terutamanya dalam jalur frekuensi 50-400 kHz, yang menunjukkan kemungkinan menggunakan ultrasound frekuensi rendah untuk mendorong pengujaan tumor resonan.sel.Banyak.Dalam jalur frekuensi ini, analisis RST mendedahkan pembentuk mod tunggal untuk mod 1 hingga 6, yang diserlahkan dalam Rajah 3. Di sini, kedua-dua gelombang taburan pp dan ps menunjukkan pembentuk jenis pertama, berlaku pada frekuensi yang sangat rendah, yang meningkat daripada kira-kira 20 kHz untuk mod 1 hingga kira-kira 60 kHz untuk n = 6, tidak menunjukkan perbezaan ketara dalam jejari sfera.Fungsi resonan ps kemudiannya mereput, manakala gabungan pembentuk pp amplitud yang besar memberikan periodicity kira-kira 60 kHz, menunjukkan anjakan frekuensi yang lebih tinggi dengan peningkatan nombor mod.Semua analisis dilakukan menggunakan perisian pengkomputeran Mathematica®62.
Fungsi bentuk serakan belakang yang diperoleh daripada modul tumor payudara dengan saiz yang berbeza ditunjukkan dalam Rajah 1, di mana jalur serakan tertinggi diserlahkan dengan mengambil kira superposisi mod.
Resonans mod terpilih daripada \(n = 1\) kepada \(n = 6\), dikira berdasarkan pengujaan dan pantulan gelombang P pada saiz tumor yang berbeza (lengkung hitam dari \(\kiri | {f_{ n} ^ {{\ kiri( {res} \kanan)\,pp}} \kiri( \pi \kanan)} \kanan| = \kiri| {f_{n}^{pp} \kiri ( \pi \ kanan) –. f_{n }^{pp(b)} \left( \pi \right)} \right|\)) dan pengujaan gelombang P dan pantulan gelombang S (lengkung kelabu diberikan oleh fungsi bentuk modal \( \kiri | { f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = {f_{n} ^{ ps} \kiri( {\pi /4} \kanan) – f_{n}^{ps(b)} \kiri( {\pi /4} \kanan)} \kanan |\)).
Keputusan analisis awal ini menggunakan keadaan perambatan medan jauh boleh membimbing pemilihan frekuensi pemacu khusus pemacu dalam simulasi berangka berikut untuk mengkaji kesan tegasan mikrovibrasi terhadap jisim.Keputusan menunjukkan bahawa penentukuran frekuensi optimum boleh menjadi peringkat khusus semasa pertumbuhan tumor dan boleh ditentukan menggunakan keputusan model pertumbuhan untuk mewujudkan strategi biomekanikal yang digunakan dalam terapi penyakit untuk meramalkan pembentukan semula tisu dengan betul.
Kemajuan ketara dalam nanoteknologi mendorong komuniti saintifik untuk mencari penyelesaian dan kaedah baharu untuk membangunkan peranti perubatan miniatur dan invasif minimum untuk aplikasi in vivo.Dalam konteks ini, teknologi LOF telah menunjukkan keupayaan yang luar biasa untuk mengembangkan keupayaan gentian optik, membolehkan pembangunan peranti gentian optik invasif minima baharu untuk aplikasi sains hayat21, 63, 64, 65. Idea menyepadukan bahan 2D dan 3D dengan sifat kimia, biologi dan optik yang dikehendaki pada sisi 25 dan/atau hujung 64 gentian optik dengan kawalan spatial penuh pada skala nano membawa kepada kemunculan kelas nanooptod gentian optik baharu.mempunyai pelbagai fungsi diagnostik dan terapeutik.Menariknya, disebabkan sifat geometri dan mekanikalnya (keratan rentas kecil, nisbah aspek besar, fleksibiliti, berat rendah) dan biokompatibiliti bahan (biasanya kaca atau polimer), gentian optik sangat sesuai untuk dimasukkan ke dalam jarum dan kateter.Aplikasi perubatan20, membuka jalan untuk visi baharu “hospital jarum” (lihat Rajah 4).
Malah, disebabkan tahap kebebasan yang diberikan oleh teknologi LOF, dengan menggunakan penyepaduan struktur mikro dan nano yang diperbuat daripada pelbagai bahan logam dan/atau dielektrik, gentian optik boleh difungsikan dengan betul untuk aplikasi tertentu yang sering menyokong pengujaan mod resonan., Medan cahaya 21 berkedudukan kukuh.Penahanan cahaya pada skala subwavelength, selalunya digabungkan dengan pemprosesan kimia dan/atau biologi63 dan penyepaduan bahan sensitif seperti polimer pintar65,66 boleh meningkatkan kawalan ke atas interaksi cahaya dan jirim, yang boleh berguna untuk tujuan teranostik.Pilihan jenis dan saiz komponen/bahan bersepadu jelas bergantung kepada parameter fizikal, biologi atau kimia yang akan dikesan21,63.
Penyepaduan probe LOF ke dalam jarum perubatan yang diarahkan ke tapak tertentu dalam badan akan membolehkan biopsi cecair dan tisu tempatan dalam vivo, membolehkan rawatan tempatan serentak, mengurangkan kesan sampingan dan meningkatkan kecekapan.Peluang berpotensi termasuk pengesanan pelbagai biomolekul yang beredar, termasuk kanser.biomarker atau mikroRNA (miRNAs)67, pengenalpastian tisu kanser menggunakan spektroskopi linear dan bukan linear seperti spektroskopi Raman (SERS)31, pengimejan fotoakustik resolusi tinggi22,28,68, pembedahan laser dan ablasi69, dan ubat penghantaran tempatan menggunakan cahaya27 dan panduan automatik jarum ke dalam badan manusia20.Perlu diingat bahawa walaupun penggunaan gentian optik mengelakkan kelemahan tipikal kaedah "klasik" berdasarkan komponen elektronik, seperti keperluan untuk sambungan elektrik dan kehadiran gangguan elektromagnet, ini membolehkan pelbagai sensor LOF disepadukan dengan berkesan ke dalam sistem.jarum perubatan tunggal.Perhatian khusus mesti diberikan untuk mengurangkan kesan berbahaya seperti pencemaran, gangguan optik, halangan fizikal yang menyebabkan kesan crosstalk antara fungsi yang berbeza.Walau bagaimanapun, adalah benar juga bahawa banyak fungsi yang disebutkan tidak perlu aktif pada masa yang sama.Aspek ini membolehkan sekurang-kurangnya mengurangkan gangguan, dengan itu mengehadkan kesan negatif ke atas prestasi setiap siasatan dan ketepatan prosedur.Pertimbangan ini membolehkan kami melihat konsep "jarum di hospital" sebagai visi mudah untuk meletakkan asas yang kukuh untuk jarum terapeutik generasi akan datang dalam sains hayat.
Berkenaan dengan aplikasi khusus yang dibincangkan dalam kertas ini, dalam bahagian seterusnya kita akan menyiasat secara numerik keupayaan jarum perubatan untuk mengarahkan gelombang ultrasonik ke dalam tisu manusia menggunakan perambatannya di sepanjang paksinya.
Penyebaran gelombang ultrasonik melalui jarum perubatan yang diisi dengan air dan dimasukkan ke dalam tisu lembut (lihat rajah dalam Rajah 5a) telah dimodelkan menggunakan perisian Comsol Multiphysics komersial berdasarkan kaedah unsur terhingga (FEM)70, di mana jarum dan tisu dimodelkan sebagai persekitaran elastik linear.
Merujuk kepada Rajah 5b, jarum dimodelkan sebagai silinder berongga (juga dikenali sebagai "kannula") yang diperbuat daripada keluli tahan karat, bahan standard untuk jarum perubatan71.Khususnya, ia telah dimodelkan dengan modulus Young E = 205 GPa, nisbah Poisson ν = 0.28, dan ketumpatan ρ = 7850 kg m −372.73.Secara geometri, jarum dicirikan oleh panjang L, diameter dalaman D (juga dipanggil "pelepasan") dan ketebalan dinding t.Di samping itu, hujung jarum dianggap condong pada sudut α berkenaan dengan arah membujur (z).Isipadu air pada asasnya sepadan dengan bentuk kawasan dalam jarum.Dalam analisis awal ini, jarum diandaikan terendam sepenuhnya dalam kawasan tisu (diandaikan memanjang selama-lamanya), dimodelkan sebagai sfera jejari rs, yang kekal malar pada 85 mm semasa semua simulasi.Dengan lebih terperinci, kami menyelesaikan kawasan sfera dengan lapisan padanan sempurna (PML), yang sekurang-kurangnya mengurangkan gelombang yang tidak diingini yang dipantulkan dari sempadan "khayalan".Kami kemudiannya memilih jejari rs supaya meletakkan sempadan domain sfera cukup jauh dari jarum untuk tidak menjejaskan penyelesaian pengiraan, dan cukup kecil untuk tidak menjejaskan kos pengiraan simulasi.
Anjakan membujur harmonik bagi frekuensi f dan amplitud A digunakan pada sempadan bawah geometri stilus;situasi ini mewakili rangsangan input yang digunakan pada geometri simulasi.Pada sempadan jarum yang tinggal (bersentuhan dengan tisu dan air), model yang diterima dianggap termasuk hubungan antara dua fenomena fizikal, salah satunya berkaitan dengan mekanik struktur (untuk kawasan jarum), dan satu lagi kepada mekanik struktur.(untuk kawasan acicular), jadi syarat yang sepadan dikenakan pada akustik (untuk air dan kawasan acicular)74.Khususnya, getaran kecil yang dikenakan pada tempat duduk jarum menyebabkan gangguan voltan kecil;dengan itu, dengan mengandaikan bahawa jarum berkelakuan seperti medium kenyal, vektor sesaran U boleh dianggarkan daripada persamaan keseimbangan elastodinamik (Navier)75.Ayunan struktur jarum menyebabkan perubahan dalam tekanan air di dalamnya (dianggap sebagai pegun dalam model kami), akibatnya gelombang bunyi merambat dalam arah membujur jarum, pada asasnya mematuhi persamaan Helmholtz76.Akhir sekali, dengan mengandaikan bahawa kesan tak linear dalam tisu boleh diabaikan dan bahawa amplitud gelombang ricih adalah jauh lebih kecil daripada amplitud gelombang tekanan, persamaan Helmholtz juga boleh digunakan untuk memodelkan perambatan gelombang akustik dalam tisu lembut.Selepas anggaran ini, tisu dianggap sebagai cecair77 dengan ketumpatan 1000 kg/m3 dan kelajuan bunyi 1540 m/s (mengabaikan kesan redaman bergantung kepada frekuensi).Untuk menghubungkan kedua-dua medan fizikal ini, adalah perlu untuk memastikan kesinambungan pergerakan normal pada sempadan pepejal dan cecair, keseimbangan statik antara tekanan dan tegasan berserenjang dengan sempadan pepejal, dan tegasan tangen pada sempadan cecair mestilah sama dengan sifar.75 .
Dalam analisis kami, kami menyiasat penyebaran gelombang akustik di sepanjang jarum di bawah keadaan pegun, memfokuskan pada pengaruh geometri jarum pada pelepasan gelombang di dalam tisu.Khususnya, kami menyiasat pengaruh diameter dalam jarum D, panjang L dan sudut serong α, mengekalkan ketebalan t tetap pada 500 µm untuk semua kes yang dikaji.Nilai t ini adalah hampir dengan ketebalan dinding standard biasa 71 untuk jarum komersial.
Tanpa kehilangan keluasan, kekerapan f bagi anjakan harmonik yang digunakan pada dasar jarum diambil bersamaan dengan 100 kHz, dan amplitud A ialah 1 μm.Khususnya, kekerapan ditetapkan kepada 100 kHz, yang konsisten dengan anggaran analitik yang diberikan dalam bahagian "Analisis penyebaran jisim tumor sfera untuk menganggarkan frekuensi ultrasound yang bergantung kepada pertumbuhan", di mana tingkah laku jisim tumor seperti resonans ditemui dalam julat frekuensi 50–400 kHz, dengan amplitud serakan terbesar tertumpu pada frekuensi yang lebih rendah sekitar 100–200 kHz (lihat Rajah 2).
Parameter pertama yang dikaji ialah diameter dalaman D jarum.Untuk kemudahan, ia ditakrifkan sebagai pecahan integer panjang gelombang akustik dalam rongga jarum (iaitu, dalam air λW = 1.5 mm).Sesungguhnya, fenomena perambatan gelombang dalam peranti yang dicirikan oleh geometri tertentu (contohnya, dalam pandu gelombang) selalunya bergantung pada saiz ciri geometri yang digunakan berbanding dengan panjang gelombang gelombang perambatan.Di samping itu, dalam analisis pertama, untuk lebih menekankan kesan diameter D pada penyebaran gelombang akustik melalui jarum, kami menganggap hujung rata, menetapkan sudut α = 90 °.Semasa analisis ini, panjang jarum L ditetapkan pada 70 mm.
Pada rajah.6a menunjukkan purata keamatan bunyi sebagai fungsi SD parameter skala tidak berdimensi, iaitu D = λW/SD yang dinilai dalam sfera dengan jejari 10 mm berpusat pada hujung jarum yang sepadan.Parameter penskalaan SD berubah dari 2 hingga 6, iaitu kami menganggap nilai D antara 7.5 mm hingga 2.5 mm (pada f = 100 kHz).Julat ini juga termasuk nilai standard 71 untuk jarum perubatan keluli tahan karat.Seperti yang dijangkakan, diameter dalam jarum mempengaruhi keamatan bunyi yang dikeluarkan oleh jarum, dengan nilai maksimum (1030 W/m2) sepadan dengan D = λW/3 (iaitu D = 5 mm) dan arah aliran menurun dengan penurunan. diameter.Perlu diambil kira bahawa diameter D ialah parameter geometri yang turut mempengaruhi invasif peranti perubatan, jadi aspek kritikal ini tidak boleh diabaikan apabila memilih nilai optimum.Oleh itu, walaupun penurunan dalam D berlaku disebabkan penghantaran keamatan akustik yang lebih rendah dalam tisu, untuk kajian berikut, diameter D = λW/5, iaitu D = 3 mm (sepadan dengan standard 11G71 pada f = 100 kHz) , dianggap sebagai kompromi yang munasabah antara gangguan peranti dan penghantaran intensiti bunyi (purata kira-kira 450 W/m2).
Keamatan purata bunyi yang dikeluarkan oleh hujung jarum (dianggap rata), bergantung pada diameter dalam jarum (a), panjang (b) dan sudut serong α (c).Panjang dalam (a, c) ialah 90 mm, dan diameter dalam (b, c) ialah 3 mm.
Parameter seterusnya yang akan dianalisis ialah panjang jarum L. Seperti kajian kes sebelumnya, kami menganggap sudut serong α = 90° dan panjangnya diskalakan sebagai gandaan panjang gelombang dalam air, iaitu pertimbangkan L = SL λW .Parameter skala tidak berdimensi SL diubah daripada 3 hingga 7, dengan itu menganggarkan purata keamatan bunyi yang dikeluarkan oleh hujung jarum dalam julat panjang dari 4.5 hingga 10.5 mm.Julat ini termasuk nilai biasa untuk jarum komersial.Keputusan ditunjukkan dalam rajah.6b, menunjukkan bahawa panjang jarum, L, mempunyai pengaruh yang besar terhadap penghantaran keamatan bunyi dalam tisu.Khususnya, pengoptimuman parameter ini memungkinkan untuk meningkatkan penghantaran dengan kira-kira susunan magnitud.Malah, dalam julat panjang yang dianalisis, purata keamatan bunyi mengambil maksimum tempatan 3116 W/m2 pada SL = 4 (iaitu, L = 60 mm), dan satu lagi sepadan dengan SL = 6 (iaitu, L = 90 mm).
Selepas menganalisis pengaruh diameter dan panjang jarum pada penyebaran ultrasound dalam geometri silinder, kami memberi tumpuan kepada pengaruh sudut serong pada penghantaran keamatan bunyi dalam tisu.Keamatan purata bunyi yang terpancar daripada hujung gentian dinilai sebagai fungsi sudut α, menukar nilainya daripada 10° (hujung tajam) kepada 90° (hujung rata).Dalam kes ini, jejari sfera penyepaduan di sekeliling hujung jarum yang dipertimbangkan adalah 20 mm, supaya untuk semua nilai α, hujung jarum dimasukkan ke dalam isipadu yang dikira daripada purata.
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.6c, apabila hujungnya diasah, iaitu, apabila α berkurangan bermula dari 90°, keamatan bunyi yang dihantar meningkat, mencapai nilai maksimum kira-kira 1.5 × 105 W/m2, yang sepadan dengan α = 50°, iaitu, 2 ialah susunan magnitud yang lebih tinggi berbanding keadaan rata.Dengan penajaman lanjut pada hujung (iaitu, pada α di bawah 50°), keamatan bunyi cenderung menurun, mencapai nilai yang setanding dengan hujung yang diratakan.Walau bagaimanapun, walaupun kami mempertimbangkan pelbagai sudut serong untuk simulasi kami, perlu dipertimbangkan bahawa mengasah hujung adalah perlu untuk memudahkan kemasukan jarum ke dalam tisu.Malah, sudut serong yang lebih kecil (kira-kira 10°) boleh mengurangkan daya 78 yang diperlukan untuk menembusi tisu.
Sebagai tambahan kepada nilai keamatan bunyi yang dihantar dalam tisu, sudut serong juga mempengaruhi arah perambatan gelombang, seperti yang ditunjukkan dalam graf tahap tekanan bunyi yang ditunjukkan dalam Rajah 7a (untuk hujung rata) dan 3b (untuk 10° ).hujung serong), selari Arah membujur dinilai dalam satah simetri (yz, rujuk Rajah 5).Pada keterlaluan kedua-dua pertimbangan ini, paras tekanan bunyi (dirujuk sebagai 1 µPa) terutamanya tertumpu di dalam rongga jarum (iaitu di dalam air) dan dipancarkan ke dalam tisu.Secara lebih terperinci, dalam kes hujung rata (Rajah 7a), taburan paras tekanan bunyi adalah simetri sempurna berkenaan dengan arah membujur, dan gelombang berdiri boleh dibezakan dalam air yang memenuhi badan.Gelombang berorientasikan longitudinal (paksi-z), amplitud mencapai nilai maksimumnya dalam air (kira-kira 240 dB) dan menurun secara melintang, yang membawa kepada pengecilan kira-kira 20 dB pada jarak 10 mm dari pusat jarum.Seperti yang dijangkakan, pengenalan hujung runcing (Rajah 7b) memecahkan simetri ini, dan antinod gelombang berdiri "membelok" mengikut hujung jarum.Nampaknya, asimetri ini menjejaskan keamatan sinaran hujung jarum, seperti yang diterangkan sebelum ini (Rajah 6c).Untuk lebih memahami aspek ini, keamatan akustik dinilai di sepanjang garis potong ortogonal ke arah membujur jarum, yang terletak dalam satah simetri jarum dan terletak pada jarak 10 mm dari hujung jarum ( keputusan dalam Rajah 7c).Secara lebih khusus, taburan keamatan bunyi yang dinilai pada sudut serong 10°, 20° dan 30° (masing-masing garis pepejal biru, merah dan hijau) dibandingkan dengan taburan berhampiran hujung rata (lengkung bertitik hitam).Taburan keamatan yang dikaitkan dengan jarum berhujung rata kelihatan simetri mengenai pusat jarum.Khususnya, ia mengambil nilai kira-kira 1420 W/m2 di tengah, limpahan kira-kira 300 W/m2 pada jarak ~8 mm, dan kemudian menurun kepada nilai kira-kira 170 W/m2 pada ~30 mm .Apabila hujungnya menjadi runcing, lobus pusat terbahagi kepada lebih banyak lobus dengan keamatan yang berbeza-beza.Lebih khusus lagi, apabila α ialah 30°, tiga kelopak boleh dibezakan dengan jelas dalam profil yang diukur pada 1 mm dari hujung jarum.Yang tengah hampir di tengah jarum dan mempunyai nilai anggaran 1850 W / m2, dan yang lebih tinggi di sebelah kanan adalah kira-kira 19 mm dari tengah dan mencapai 2625 W / m2.Pada α = 20°, terdapat 2 cuping utama: satu per −12 mm pada 1785 W/m2 dan satu per 14 mm pada 1524 W/m2.Apabila hujungnya menjadi lebih tajam dan sudut mencapai 10°, maksimum 817 W/m2 dicapai pada kira-kira -20 mm, dan tiga lagi lobus dengan keamatan yang lebih rendah kelihatan di sepanjang profil.
Aras tekanan bunyi dalam satah simetri y–z jarum dengan hujung rata (a) dan serong 10° (b).(c) Taburan keamatan akustik dianggarkan sepanjang garis potong berserenjang dengan arah membujur jarum, pada jarak 10 mm dari hujung jarum dan terletak pada satah simetri yz.Panjang L ialah 70 mm dan diameter D ialah 3 mm.
Secara keseluruhan, keputusan ini menunjukkan bahawa jarum perubatan boleh digunakan dengan berkesan untuk menghantar ultrasound pada 100 kHz ke dalam tisu lembut.Keamatan bunyi yang dipancarkan bergantung pada geometri jarum dan boleh dioptimumkan (tertakluk kepada batasan yang dikenakan oleh invasif peranti akhir) sehingga nilai dalam julat 1000 W/m2 (pada 10 mm).digunakan pada bahagian bawah jarum 1. Dalam kes ofset mikrometer, jarum dianggap telah dimasukkan sepenuhnya ke dalam tisu lembut yang memanjang tanpa had.Khususnya, sudut serong sangat mempengaruhi keamatan dan arah penyebaran gelombang bunyi dalam tisu, yang terutamanya membawa kepada ortogonal potongan hujung jarum.
Untuk menyokong pembangunan strategi rawatan tumor baharu berdasarkan penggunaan teknik perubatan bukan invasif, penyebaran ultrasound frekuensi rendah dalam persekitaran tumor dianalisis secara analitik dan pengiraan.Khususnya, dalam bahagian pertama kajian, penyelesaian elastodinamik sementara membolehkan kami mengkaji penyebaran gelombang ultrasonik dalam spheroid tumor pepejal saiz dan kekakuan yang diketahui untuk mengkaji sensitiviti frekuensi jisim.Kemudian, frekuensi urutan ratusan kilohertz telah dipilih, dan aplikasi tempatan tekanan getaran dalam persekitaran tumor menggunakan pemacu jarum perubatan telah dimodelkan dalam simulasi berangka dengan mengkaji pengaruh parameter reka bentuk utama yang menentukan pemindahan akustik. kuasa instrumen kepada alam sekitar.Keputusan menunjukkan bahawa jarum perubatan boleh digunakan dengan berkesan untuk menyinari tisu dengan ultrasound, dan keamatannya berkait rapat dengan parameter geometri jarum, yang dipanggil panjang gelombang akustik yang berfungsi.Malah, keamatan penyinaran melalui tisu meningkat dengan peningkatan diameter dalaman jarum, mencapai maksimum apabila diameter adalah tiga kali panjang gelombang.Panjang jarum juga memberikan sedikit kebebasan untuk mengoptimumkan pendedahan.Keputusan yang terakhir sememangnya dimaksimumkan apabila panjang jarum ditetapkan kepada gandaan tertentu panjang gelombang operasi (khususnya 4 dan 6).Menariknya, untuk julat frekuensi minat, nilai diameter dan panjang yang dioptimumkan adalah hampir dengan yang biasa digunakan untuk jarum komersial standard.Sudut serong, yang menentukan ketajaman jarum, juga mempengaruhi emisitiviti, memuncak pada kira-kira 50° dan memberikan prestasi yang baik pada kira-kira 10°, yang biasanya digunakan untuk jarum komersial..Hasil simulasi akan digunakan untuk membimbing pelaksanaan dan pengoptimuman platform diagnostik intraneedle hospital, menyepadukan ultrasound diagnostik dan terapeutik dengan penyelesaian terapeutik dalam peranti lain dan merealisasikan campur tangan perubatan ketepatan kolaboratif.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. dan Kopp MV Apakah ubat ketepatan?Eur, asing.Jurnal 50, 1700391 (2017).
Collins, FS dan Varmus, H. Inisiatif baharu dalam perubatan ketepatan.N. eng.J. Perubatan.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Markey, MK dan Wang, MD.Informatik Pengimejan Bioperubatan dalam Era Perubatan Ketepatan: Pencapaian, Cabaran dan Peluang.jem.ubat.maklumkan.Penolong profesor.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precision onkologi: ulasan.J. Klinikal.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S., dan Salem, A. Penambahbaikan dalam terapi glioblastoma (GBM) menggunakan sistem penghantaran berasaskan nanopartikel.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G dan von Daimling A. Glioblastoma: patologi, mekanisme molekul dan penanda.Acta Neuropatologi.129(6), 829–848 (2015).
Bush, NAO, Chang, SM dan Berger, MS Strategi semasa dan masa depan untuk rawatan glioma.pembedahan saraf.Ed.40, 1–14 (2017).