Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Turklāt, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Slīdņi, kas parāda trīs rakstus katrā slaidā.Izmantojiet pogas Atpakaļ un Nākamais, lai pārvietotos pa slaidiem, vai slaidu kontrollera pogas beigās, lai pārvietotos pa katru slaidu.
Nesen tika pierādīts, ka ultraskaņas izmantošana var uzlabot audu iznākumu ar ultraskaņu uzlabotajā smalkās adatas aspirācijas biopsijā (USeFNAB), salīdzinot ar parasto smalkās adatas aspirācijas biopsiju (FNAB).Saikne starp slīpuma ģeometriju un adatas galu darbību vēl nav pētīta.Šajā pētījumā mēs pētījām adatas rezonanses un novirzes amplitūdas īpašības dažādām adatas slīpuma ģeometrijām ar dažādu slīpuma garumu.Izmantojot parasto lanceti ar 3,9 mm griezumu, gala novirzes jaudas koeficients (DPR) bija attiecīgi 220 un 105 µm/W gaisā un ūdenī.Tas ir augstāks par asimetrisko 4 mm slīpo galu, kas sasniedza DPR attiecīgi 180 un 80 µm/W gaisā un ūdenī.Šis pētījums uzsver, cik svarīga ir saikne starp slīpās ģeometrijas lieces stingrību dažādu ievietošanas palīglīdzekļu kontekstā, un tādējādi var sniegt ieskatu metodēs, kā kontrolēt griešanas darbību pēc caurduršanas, mainot adatas slīpuma ģeometriju, kas ir svarīga USeFNAB.Pieteikšanās nozīme.
Smalkās adatas aspirācijas biopsija (FNAB) ir metode, kurā adatu izmanto, lai iegūtu audu paraugu, ja ir aizdomas par anomāliju1,2,3.Ir pierādīts, ka Franseen tipa uzgaļi nodrošina augstāku diagnostikas veiktspēju nekā tradicionālie Lancet4 un Menghini5 uzgaļi.Ir ierosināts arī asimetrisks (ti, apkārtmērs) slīpums, lai palielinātu iespējamību, ka tiks iegūts adekvāts paraugs histopatoloģijai6.
Biopsijas laikā adata tiek izlaista cauri ādas un audu slāņiem, lai atklātu aizdomīgu patoloģiju.Jaunākie pētījumi liecina, ka ultraskaņas aktivizēšana var samazināt caurduršanas spēku, kas nepieciešams, lai piekļūtu mīkstajiem audiem7,8,9,10.Ir pierādīts, ka adatas slīpuma ģeometrija ietekmē adatas mijiedarbības spēkus, piemēram, ir pierādīts, ka garākām slīpajām malām ir mazāki audu iespiešanās spēki 11 .Ir ierosināts, ka pēc tam, kad adata ir iekļuvusi audu virsmā, ti, pēc punkcijas, adatas griešanas spēks var būt 75% no kopējā adatas un audu mijiedarbības spēka12.Ir pierādīts, ka ultraskaņa (US) uzlabo diagnostiskās mīksto audu biopsijas kvalitāti pēc punkcijas fāzē13.Citas metodes kaulu biopsijas kvalitātes uzlabošanai ir izstrādātas cieto audu paraugu ņemšanai14,15, taču nav ziņots par rezultātiem, kas uzlabotu biopsijas kvalitāti.Vairāki pētījumi arī atklāja, ka mehāniskā pārvietošanās palielinās, palielinoties ultraskaņas piedziņas spriegumam 16, 17, 18.Lai gan ir daudz pētījumu par aksiālajiem (garenvirziena) statiskajiem spēkiem adatas un audu mijiedarbībā 19, 20, pētījumi par laika dinamiku un adatas slīpuma ģeometriju ultraskaņas uzlabotajā FNAB (USeFNAB) ir ierobežoti.
Šī pētījuma mērķis bija izpētīt dažādu slīpuma ģeometriju ietekmi uz adatas galu darbību, ko izraisa adatas saliekšana ultraskaņas frekvencēs.Jo īpaši mēs pētījām injekcijas vides ietekmi uz adatas gala novirzi pēc caurduršanas parastajām adatas slīpajām malām (piemēram, lancetēm), asimetriskām un asimetriskām viena slīpuma ģeometrijām (att., lai atvieglotu USeFNAB adatu izstrādi dažādiem mērķiem, piemēram, selektīvai sūkšanai piekļuves vai mīksto audu kodoliem.
Šajā pētījumā tika iekļautas dažādas slīpuma ģeometrijas.(a) Lancetes, kas atbilst standartam ISO 7864:201636, kur \(\alpha\) ir primārais slīpuma leņķis, \(\theta\) ir sekundārais slīpuma pagriešanas leņķis un \(\phi\) ir sekundārais slīpuma rotācijas leņķis grādos , grādos (\(^\circ\)).(b) lineāras asimetriskas vienpakāpju noapaļošanas (sauktas par “standarta” DIN 13097:201937) un (c) lineāras asimetriskas (apkārtnes) viena pakāpiena noapaļotājiem.
Mūsu pieeja ir vispirms modelēt lieces viļņa garuma izmaiņas gar slīpumu parastajām lancetiskām, asimetriskām un asimetriskām vienpakāpes slīpuma ģeometrijām.Pēc tam mēs aprēķinājām parametru pētījumu, lai pārbaudītu slīpuma leņķa un caurules garuma ietekmi uz transporta mehānisma mobilitāti.Tas tiek darīts, lai noteiktu optimālo garumu adatas prototipa izgatavošanai.Pamatojoties uz simulāciju, tika izgatavoti adatu prototipi un eksperimentāli raksturota to rezonanses uzvedība gaisā, ūdenī un 10% (w/v) ballistiskajā želatīnā, izmērot sprieguma atstarošanas koeficientu un aprēķinot jaudas pārneses efektivitāti, no kuras tika noteikta darba frekvence. noteikts..Visbeidzot, ātrgaitas attēlveidošanu izmanto, lai tieši izmērītu lieces viļņa novirzi adatas galā gaisā un ūdenī un novērtētu katra slīpuma pārraidīto elektrisko jaudu un ievadītās vielas novirzes jaudas koeficienta (DPR) ģeometriju. vidējs.
Kā parādīts 2.a attēlā, izmantojiet cauruli Nr. 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm caurules sienas biezums, standarta siena, kā norādīts ISO 9626:201621), kas izgatavota no 316 nerūsējošā tērauda (Jaga modulis 205).\(\teksts {GN/m}^{2}\), blīvums 8070 kg/m\(^{3}\), Puasona koeficients 0,275).
Liekšanas viļņa garuma noteikšana un adatas galīgo elementu modeļa (FEM) un robežnosacījumu noregulēšana.a) slīpuma garuma (BL) un caurules garuma (TL) noteikšana.(b) Trīsdimensiju (3D) galīgo elementu modelis (FEM), izmantojot harmoniskā punkta spēku \(\tilde{F}_y\vec{j}\), lai ierosinātu adatu proksimālajā galā, novirzītu punktu un izmērītu ātrumu uz galu (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)), lai aprēķinātu mehānisko transporta mobilitāti.\(\lambda _y\) ir definēts kā lieces viļņa garums, kas saistīts ar vertikālo spēku \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Nosakiet smaguma centru, šķērsgriezuma laukumu A un inerces momentus \(I_{xx}\) un \(I_{yy}\) attiecīgi ap x un y asi.
Kā parādīts attēlā.2b,c, bezgalīgam (bezgalīgam) staram ar šķērsgriezuma laukumu A un pie liela viļņa garuma, salīdzinot ar staru kūļa šķērsgriezuma lielumu, lieces (vai lieces) fāzes ātrums \(c_{EI}\ ) ir definēts kā 22:
kur E ir Janga modulis (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) ir ierosmes leņķiskā frekvence (rad/s), kur \( f_0 \ ) ir lineārā frekvence (1/s vai Hz), I ir apgabala inerces moments ap interesējošo asi \((\text {m}^{4})\) un \(m'=\ rho _0 A \) ir masa uz garuma vienību (kg/m), kur \(\rho _0\) ir blīvums \((\text {kg/m}^{3})\) un A ir krusts -sijas šķērsgriezuma laukums (xy plakne) (\ (\text {m}^{2}\)).Tā kā mūsu gadījumā pieliktais spēks ir paralēls vertikālajai y asij, ti, \(\tilde{F}_y\vec {j}\), mūs interesē tikai inerces moments laukumam ap horizontālo x- ass, ti, \(I_{xx} \), tāpēc:
Galīgo elementu modelim (FEM) tiek pieņemta tīra harmoniskā nobīde (m), tāpēc paātrinājums (\(\text {m/s}^{2}\)) tiek izteikts kā \(\partial ^2 \vec { u}/ \ daļēja t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), piemēram, \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) ir trīsdimensiju nobīdes vektors, kas definēts telpiskās koordinātēs.Aizstājot pēdējo ar impulsa līdzsvara likuma galīgi deformējamo Lagranža formu23, saskaņā ar tās ieviešanu programmatūras pakotnē COMSOL Multiphysics (versija 5.4-5.5, COMSOL Inc., Masačūsetsa, ASV), iegūst:
Kur \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial } { N /m}^{2}\)), un \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) ir katra deformējamā tilpuma ķermeņa spēka (\(\teksts {N/m}^{3}\)) vektors, un \(e^{j\phi }\) ir deformējamā tilpuma fāze. ķermeņa spēks, ir fāzes leņķis \(\ phi\) (rad).Mūsu gadījumā ķermeņa tilpuma spēks ir nulle, un mūsu modelis pieņem ģeometrisku linearitāti un nelielas tīri elastīgas deformācijas, ti, \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), kur \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) un \({\underline{ \varepsilon}}\) – attiecīgi elastīgā deformācija un kopējā deformācija (bezizmēra pēc otrās kārtas).Huka konstitutīvo izotropo elastības tensoru \(\pasvītrot {\pasvītrot {C))\) iegūst, izmantojot Janga moduli E(\(\text{N/m}^{2}\)) un definē Puasona attiecību v, lai \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (ceturtā secība).Tātad stresa aprēķins kļūst par \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Aprēķini tika veikti ar 10 mezglu tetraedriskiem elementiem ar elementa izmēru \(\le\) 8 µm.Adata ir modelēta vakuumā, un mehāniskās mobilitātes pārneses vērtība (ms-1 H-1) ir definēta kā \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, kur \(\tilde{v}_y\vec {j}\) ir rokas instrumenta izejas kompleksais ātrums un \(\tilde{ F} _y\vec {j }\) ir sarežģīts dzinējspēks, kas atrodas caurules proksimālajā galā, kā parādīts 2.b attēlā.Transmisīvo mehānisko mobilitāti izsaka decibelos (dB), izmantojot maksimālo vērtību kā atsauci, ti, \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Visi FEM pētījumi tika veikti ar frekvenci 29,75 kHz.
Adatas dizains (3. att.) sastāv no parastās 21 gabarīta zemādas adatas (kataloga numurs: 4665643, Sterican\(^\circledR\), ar ārējo diametru 0,8 mm, garumu 120 mm, izgatavotu no AISI. hroma-niķeļa nerūsējošais tērauds 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Vācija) ievietoja plastmasas Luer Lock uzmavu, kas izgatavota no polipropilēna proksimāla ar atbilstošu uzgaļa modifikāciju.Adatas caurule ir pielodēta pie viļņvada, kā parādīts 3.b attēlā.Viļņvads tika izdrukāts uz nerūsējošā tērauda 3D printera (EOS Stainless Steel 316L uz EOS M 290 3D printera, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Somija) un pēc tam piestiprināts pie Langevin sensora, izmantojot M4 skrūves.Langevin devējs sastāv no 8 pjezoelektriskiem gredzena elementiem ar diviem atsvariem katrā galā.
Četru veidu uzgaļi (attēlā), komerciāli pieejamā lancete (L) un trīs ražotās asimetriskas vienpakāpes slīpās malas (AX1–3) tika raksturotas ar slīpuma garumu (BL) attiecīgi 4, 1,2 un 0,5 mm.a) Gatavās adatas gala tuvplāns.(b) Skats no augšas uz četrām tapām, kas pielodētas ar 3D drukātu viļņvadu un pēc tam savienotas ar Langevin sensoru ar M4 skrūvēm.
Tika izgatavoti trīs asimetriskas slīpuma uzgaļi (3. att.) (TAs Machine Tools Oy) ar slīpuma garumiem (BL, noteikts 2.a attēlā) 4,0, 1,2 un 0,5 mm, kas atbilst \(\approx\) 2\ (^\). circ\), 7\(^\circ\) un 18\(^\circ\).Viļņvada un irbules svars ir attiecīgi 3,4 ± 0,017 g (vidējais ± SD, n = 4) slīpumam L un AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Getingena, Vācija).Kopējais garums no adatas gala līdz plastmasas uzmavas galam ir attiecīgi 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm slīpumam L un AX1-3 3.b attēlā.
Visām adatas konfigurācijām garums no adatas gala līdz viļņvada galam (ti, lodēšanas laukumam) ir 4,3 cm, un adatas caurule ir orientēta tā, lai slīpums būtu vērsts uz augšu (ti, paralēli Y asij ).), kā (2. att.).
Pielāgots skripts pakalpojumā MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Masačūsetsa, ASV), kas darbojas datorā (Latitude 7490, Dell Inc., Teksasa, ASV), tika izmantots, lai ģenerētu lineāru sinusoidālu slaucīšanu no 25 līdz 35 kHz 7 sekundēs. pārveidots par analogo signālu ar ciparu-analogu (DA) pārveidotāju (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Vašingtona, ASV).Pēc tam analogais signāls \(V_0\) (0,5 Vp-p) tika pastiprināts ar speciālu radiofrekvences (RF) pastiprinātāju (Mariachi Oy, Turku, Somija).Krītošais pastiprināšanas spriegums \({V_I}\) tiek izvadīts no RF pastiprinātāja ar izejas pretestību 50 \(\Omega\) uz adatas konstrukcijā iebūvētu transformatoru ar ieejas pretestību 50 \(\Omega)\) Mehānisko viļņu ģenerēšanai izmanto Langevin devēju (priekšējie un aizmugurējie daudzslāņu pjezoelektriskie devēji, noslogoti ar masu).Pielāgotais RF pastiprinātājs ir aprīkots ar divu kanālu stāvviļņu jaudas koeficienta (SWR) mērītāju, kas var noteikt incidentu \({V_I}\) un atstaroto pastiprināto spriegumu \(V_R\), izmantojot 300 kHz analogo-digitālo (AD). ) pārveidotājs (Analog Discovery 2).Ierosinājuma signāls tiek modulēts amplitūdas sākumā un beigās, lai novērstu pastiprinātāja ieejas pārslodzi ar pārejām.
Izmantojot pielāgotu skriptu, kas ieviests MATLAB, frekvences reakcijas funkcija (AFC), ti, pieņem lineāru stacionāru sistēmu.Izmantojiet arī 20 līdz 40 kHz frekvenču joslas caurlaides filtru, lai noņemtu signālam nevēlamās frekvences.Atsaucoties uz pārvades līniju teoriju, \(\tilde{H}(f)\) šajā gadījumā ir ekvivalents sprieguma atstarošanas koeficientam, ti, \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Tā kā pastiprinātāja izejas pretestība \(Z_0\) atbilst pārveidotāja iebūvētā transformatora ieejas pretestībai un elektriskās jaudas atstarošanas koeficients \({P_R}/{P_I}\) ir samazināts līdz \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) ir vienāds ar \ (|\rho _{V}|^2\).Gadījumā, ja ir nepieciešama elektriskās jaudas absolūtā vērtība, aprēķina krītošo \(P_I\) un atstaroto\(P_R\) jaudu (W), piemēram, ņemot atbilstošā sprieguma vidējo kvadrātisko vērtību (rms). pārvades līnijai ar sinusoidālu ierosmi \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, kur \(Z_0\) ir vienāds ar 50 \(\Omega\).Slodzei \(P_T\) (ti, ievietotajai videi) piegādāto elektrisko jaudu var aprēķināt kā \(|P_I – P_R |\) (W RMS), un jaudas pārneses efektivitāti (PTE) var definēt un izteikt kā procenti (%) tādējādi iegūst 27:
Pēc tam frekvences reakcija tiek izmantota, lai novērtētu irbuļa konstrukcijas modālās frekvences \(f_{1-3}\) (kHz) un atbilstošo jaudas pārneses efektivitāti, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) tiek aprēķināts tieši no \(\text {PTE}_{1{-}3}\), no 1. tabulas frekvences \(f_{1-3}\), kas aprakstītas .
Metode adatveida struktūras frekvences reakcijas (AFC) mērīšanai.Lai iegūtu frekvences reakcijas funkciju \(\tilde{H}(f)\) un tās impulsa reakciju H(t), tiek izmantots divkanālu swept-sinummērījums25,38.\({\mathcal {F}}\) un \({\mathcal {F}}^{-1}\) apzīmē attiecīgi skaitlisko saīsināto Furjē transformāciju un apgrieztās transformācijas darbību.\(\tilde{G}(f)\) nozīmē, ka divi signāli tiek reizināti frekvenču domēnā, piemēram, \(\tilde{G}_{XrX}\) nozīmē apgriezto skenēšanu\(\tilde{X} r( f )\) un sprieguma krituma signālu \(\tilde{X}(f)\).
Kā parādīts attēlā.5, ātrgaitas kamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., Ņūdžersija, ASV), kas aprīkota ar makro objektīvu (MP-E 65 mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokija, Japāna), tika izmantoti, lai reģistrētu adatas gala novirzi, kas pakļauta lieces ierosmei (viena frekvence, nepārtraukta sinusoīda) ar frekvenci 27,5–30 kHz.Lai izveidotu ēnu karti, aiz adatas slīpuma tika novietots augstas intensitātes baltas gaismas diodes (daļas numurs: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Rēgensburga, Vācija) atdzesēts elements.
Eksperimentālās iestatīšanas priekšskats.Dziļums tiek mērīts no materiāla virsmas.Adatas konstrukcija ir nostiprināta un uzstādīta uz motorizēta pārneses galda.Izmantojiet ātrgaitas kameru ar liela palielinājuma objektīvu (5\(\times\)), lai izmērītu slīpā gala novirzi.Visi izmēri norādīti milimetros.
Katram adatas slīpuma veidam mēs ierakstījām 300 ātrgaitas kameru kadrus ar 128 \(\x\) 128 pikseļiem, katrs ar telpisko izšķirtspēju 1/180 mm (\(\approx) 5 µm) ar laika izšķirtspēju. 310 000 kadru sekundē.Kā parādīts 6. attēlā, katrs kadrs (1) tiek apgriezts (2), lai gals atrodas kadra pēdējā rindā (apakšā), un pēc tam tiek aprēķināta attēla histogramma (3), tāpēc Canny sliekšņi 1 un 2 var noteikt.Pēc tam izmantojiet Canny28(4) malu noteikšanu, izmantojot Sobel operatoru 3 \(\times\) 3, un aprēķiniet nekavitācijas hipotenūzas pikseļu pozīciju (apzīmēta ar \(\mathbf {\times }\)) visiem 300 reižu soļiem. .Lai noteiktu novirzes laidumu beigās, tiek aprēķināts atvasinājums (izmantojot centrālās atšķirības algoritmu) (6) un tiek identificēts rāmis, kas satur novirzes (7) lokālo ekstrēmu (ti, maksimumu).Pēc nekavitējošās malas vizuālas pārbaudes tika izvēlēts kadru pāris (vai divi kadri, kas atdalīti ar pusi laika periodu) (7) un izmērīta uzgaļa novirze (apzīmēta ar \(\mathbf {\times} \ ) Iepriekšminētais tika īstenots programmā Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org), izmantojot OpenCV Canny malu noteikšanas algoritmu (v4.5.1, atvērtā koda datora redzes bibliotēka, opencv.org elektrības jauda \ (P_T \) (W, rms) .
Gala novirze tika mērīta, izmantojot virkni kadru, kas uzņemti no ātrgaitas kameras ar frekvenci 310 kHz, izmantojot 7 pakāpju algoritmu (1–7), ieskaitot kadrēšanu (1–2), Canny malu noteikšanu (3–4), pikseļu atrašanās vietas malu. aprēķins (5) un to laika atvasinājumi (6), un visbeidzot pīķa līdz maksimuma galu novirze tika mērīta uz vizuāli pārbaudītiem kadru pāriem (7).
Mērījumi veikti gaisā (22,4-22,9°C), dejonizētā ūdenī (20,8-21,5°C) un ballistiskajā želatīnā 10% (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text) { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Liellopu un cūkgaļas kaulu želatīns I tipa ballistiskajai analīzei, Honeywell International, Ziemeļkarolīna, ASV).Temperatūra tika mērīta ar K veida termopāra pastiprinātāju (AD595, Analog Devices Inc., MA, ASV) un K veida termopāri (Fluke 80PK-1 Bead Probe Nr. 3648 Type-K, Fluke Corporation, Vašingtona, ASV).No barotnes Dziļums tika mērīts no virsmas (iestatīts kā z-ass sākumpunkts), izmantojot vertikālu motorizētu z-ass stadiju (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Viļņa, Lietuva) ar izšķirtspēju 5 µm.par soli.
Tā kā izlases lielums bija mazs (n = 5) un nevarēja pieņemt normālu, tika izmantots divu izlašu Vilkoksona rangu summas tests (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). lai salīdzinātu dispersijas adatas galu apjomu dažādiem slīpumiem.Katram slīpumam tika veikti 3 salīdzinājumi, tāpēc tika piemērota Bonferroni korekcija ar koriģētu nozīmīguma līmeni 0,017 un kļūdu līmeni 5%.
Tagad pievērsīsimies 7. att.29,75 kHz frekvencē 21 gabarīta adatas lieces pusvilnis (\(\lambda_y/2\)) ir \(\aptuveni) 8 mm.Tuvojoties galam, lieces viļņa garums samazinās slīpajā leņķī.Galā \(\lambda _y/2\) \(\aptuveni\) ir 3, 1 un 7 mm pakāpieni vienas adatas parastajam lancetiskajam (a), asimetriskam (b) un asimetriskam (c) slīpumam. , attiecīgi.Tādējādi tas nozīmē, ka lancetes diapazons ir \(\aptuveni) 5 mm (sakarā ar to, ka abas lancetes plaknes veido vienu punktu29,30), asimetriskā slīpums ir 7 mm, asimetriskā slīpums ir 1 mm.Asimetriskas nogāzes (smaguma centrs paliek nemainīgs, tāpēc gar slīpumu faktiski mainās tikai caurules sieniņu biezums).
FEM pētījumi un vienādojumu pielietošana frekvencē 29,75 kHz.(1) Aprēķinot lieces pusviļņa (\(\lambda_y/2\)) variāciju lancetei (a), asimetriskai (b) un asimetriskai (c) slīpuma ģeometrijai (kā 1.a,b,c attēlā). ) .Lancetes, asimetrisko un asimetrisko slīpumu vidējā vērtība \(\lambda_y/2\) bija attiecīgi 5,65, 5,17 un 7,52 mm.Ņemiet vērā, ka uzgaļu biezums asimetriskām un asimetriskām slīpām malām ir ierobežots līdz \(\aptuveni) 50 µm.
Maksimālā mobilitāte \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) ir optimāla caurules garuma (TL) un slīpuma garuma (BL) kombinācija (8., 9. att.).Parastajai lancetei, tā kā tās izmērs ir fiksēts, optimālais TL ir \(\aptuveni) 29,1 mm (8. att.).Asimetriskām un asimetriskām slīpām malām (attiecīgi 9.a un b att.) FEM pētījumos tika iekļauts BL no 1 līdz 7 mm, tāpēc optimālie TL bija no 26,9 līdz 28,7 mm (diapazons 1,8 mm) un no 27,9 līdz 29,2 mm (diapazons). 1,3 mm), attiecīgi.Asimetriskajam slīpumam (9.a att.) optimālais TL palielinājās lineāri, sasniedza plato pie BL 4 mm un pēc tam strauji samazinājās no BL 5 līdz 7 mm.Asimetriskajam slīpumam (9.b att.) optimālais TL lineāri palielinājās, palielinoties BL, un beidzot stabilizējās pie BL no 6 līdz 7 mm.Paplašināts asimetriskā slīpuma pētījums (9.c att.) atklāja atšķirīgu optimālo TL kopu pie \(\aptuveni) 35,1–37,1 mm.Visiem BL attālums starp diviem labākajiem TL ir \(\apmēram\) 8 mm (ekvivalents \(\lambda_y/2\)).
Lancetes pārraides mobilitāte pie 29,75 kHz.Adata tika elastīgi ierosināta ar frekvenci 29,75 kHz, un vibrācija tika izmērīta adatas galā un tika izteikta kā pārraidītās mehāniskās mobilitātes apjoms (dB attiecībā pret maksimālo vērtību) TL 26,5–29,5 mm (ar 0,1 mm soli). .
FEM parametriskie pētījumi ar frekvenci 29,75 kHz liecina, ka asimetriskā gala pārneses mobilitāti mazāk ietekmē caurules garuma izmaiņas nekā tā asimetriskā līdzinieka.Slīpu garuma (BL) un caurules garuma (TL) pētījumi asimetrisko (a) un asimetrisko (b, c) slīpo ģeometriju frekvenču domēna pētījumā, izmantojot FEM (robežnosacījumi parādīti 2. att.).(a, b) TL svārstījās no 26,5 līdz 29,5 mm (0,1 mm solis) un BL 1–7 mm (0,5 mm solis).(c) Paplašināti asimetriskā slīpuma pētījumi, tostarp TL 25–40 mm (ar 0,05 mm soli) un BL 0,1–7 mm (ar 0,1 mm soli), kas parāda, ka \(\lambda_y/2\ ) jāatbilst uzgaļa prasībām.pārvietošanās robežnosacījumi.
Adatas konfigurācijai ir trīs īpašfrekvences \(f_{1-3}\), kas sadalītas zemā, vidējā un augsta režīma reģionos, kā parādīts 1. tabulā. PTE lielums tika reģistrēts, kā parādīts attēlā.10 un pēc tam analizēts 11. attēlā. Tālāk ir sniegti konstatējumi par katru modālo apgabalu:
Tipiskas reģistrētās momentānās jaudas pārneses efektivitātes (PTE) amplitūdas, kas iegūtas ar slīdfrekvences sinusoidālu ierosmi lancetei (L) un asimetriskam slīpumam AX1-3 gaisā, ūdenī un želatīnā 20 mm dziļumā.Tiek parādīti vienpusējie spektri.Izmērītā frekvences reakcija (izlase tika ņemta pie 300 kHz) tika filtrēta zemas caurlaidības režīmā un pēc tam samazināta par koeficientu 200 modālai analīzei.Signāla un trokšņa attiecība ir \(\le\) 45 dB.PTE fāzes (purpursarkanas punktētas līnijas) ir parādītas grādos (\(^{\circ}\)).
Modālās reakcijas analīze (vidējā ± standarta novirze, n = 5), kas parādīta 10. attēlā, nogāzēm L un AX1-3, gaisā, ūdenī un 10% želatīnā (dziļums 20 mm), ar (augšējiem) trim modālajiem apgabaliem ( zemas, vidējas un augstas) un tām atbilstošās modālās frekvences\(f_{1-3 }\) (kHz), (vidējā) energoefektivitāte \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Aprēķināts, izmantojot ekvivalentus .(4) un (apakšā) pilns platums ar pusi no maksimālajiem mērījumiem \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Ņemiet vērā, ka joslas platuma mērījums tika izlaists, kad tika reģistrēts zems PTE, ti, \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 slīpuma gadījumā.Režīms \(f_2\) tika atzīts par vispiemērotāko, lai salīdzinātu slīpuma novirzes, jo tas uzrādīja visaugstāko jaudas pārneses efektivitātes līmeni (\(\text {PTE}_{2}\)), līdz pat 99%.
Pirmais modālais apgabals: \(f_1\) nav daudz atkarīgs no ievietotās vides veida, bet ir atkarīgs no slīpuma ģeometrijas.\(f_1\) samazinās, samazinoties slīpuma garumam (attiecīgi 27,1, 26,2 un 25,9 kHz gaisā AX1-3).Vidējie reģionālie rādītāji \(\text {PTE}_{1}\) un \(\text {FWHM}_{1}\) ir attiecīgi \(\apmēram\) 81% un 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) ir visaugstākais želatīna saturs lancetē (L, 473 Hz).Ņemiet vērā, ka \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 želatīnā nevarēja novērtēt zemās reģistrētās FRF amplitūdas dēļ.
Otrais modālais apgabals: \(f_2\) ir atkarīgs no ievietotā datu nesēja veida un slīpuma.Vidējās vērtības \(f_2\) ir attiecīgi 29,1, 27,9 un 28,5 kHz gaisā, ūdenī un želatīnā.Šajā modālajā reģionā bija arī augsts PTE — 99%, kas ir augstākais no visām izmērītajām grupām, un reģionālais vidējais rādītājs bija 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) reģionālais vidējais rādītājs ir \(\aptuveni\) 910 Hz.
Trešā režīma reģions: frekvence \(f_3\) ir atkarīga no datu nesēja veida un slīpuma.Vidējās \(f_3\) vērtības ir attiecīgi 32,0, 31,0 un 31,3 kHz gaisā, ūdenī un želatīnā.\(\text {PTE}_{3}\) reģionālais vidējais rādītājs bija \(\aptuveni\) 74%, zemākais no jebkura reģiona.Reģiona vidējais \(\text {FWHM}_{3}\) ir \(\aptuveni\) 1085 Hz, kas ir augstāks nekā pirmajā un otrajā reģionā.
       Tālāk norādīts uz att.12. un 2. tabula. Lancete (L) visvairāk (ar lielu nozīmi visiem galiem, \(p<\) 0,017) novirzījās gan gaisā, gan ūdenī (12.a att.), sasniedzot augstāko DPR (līdz 220 µm/). W gaisā). 12. un 2. tabula. Lancete (L) visvairāk (ar lielu nozīmi visiem galiem, \(p<\) 0,017) novirzījās gan gaisā, gan ūdenī (12.a att.), sasniedzot augstāko DPR (līdz 220 µm/). W gaisā). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше вселххчиенкой значв в, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Sekojošais attiecas uz 12. attēlu un 2. tabulu. Lancete (L) visvairāk novirzījās (ar lielu nozīmi visiem uzgaļiem, \(p<\) 0,017) gan gaisā, gan ūdenī (12.a attēls), sasniedzot augstāko DPR.(līdz 220 μm/W gaisā).Smt.12. attēls un 2. tabula.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，\(p<\)性，\(p<\)性，\(p<\) 0,017）宾aa高DPR （在空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) ir visaugstākā novirze gaisā un ūdenī (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), un tika sasniegts augstākais DPR (līdz 220 µm/W). gaiss). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в водиста, возри наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lancete (L) visvairāk (augsta nozīme visiem uzgaļiem, \(p<\) 0,017) novirzījās gaisā un ūdenī (12.a attēls), sasniedzot augstāko DPR (līdz 220 µm/W gaisā). Gaisā AX1, kuram bija augstāks BL, novirzījās augstāk par AX2–3 (ar nozīmīgumu \(p<\) 0,017), savukārt AX3 (kuram bija zemākais BL) novirzīja vairāk nekā AX2 ar DPR 190 µm/W. Gaisā AX1, kuram bija augstāks BL, novirzījās augstāk par AX2–3 (ar nozīmīgumu \(p<\) 0,017), savukārt AX3 (kuram bija zemākais BL) novirzīja vairāk nekā AX2 ar DPR 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), BL токсоким ( онялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Gaisā AX1 ar augstāku BL novirzījās augstāk par AX2–3 (ar nozīmīgumu \(p<\) 0,017), savukārt AX3 (ar zemāko BL) novirzījās vairāk nekā AX2 ar 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，\(p<\)扉伄罚有匌AX3，耀偏转大于AX2, DPR 为 190 µm/W . Gaisā AX1 novirze ar lielāku BL ir lielāka nekā AX2-3 (ievērojami, \(p<\) 0,017), un AX3 (ar zemāko BL) novirze ir lielāka nekā AX2, DPR ir 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда (кателкимомо3 тся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. Gaisā AX1 ar augstāku BL novirzās vairāk nekā AX2-3 (nozīmīgi, \(p<\) 0,017), savukārt AX3 (ar zemāko BL) novirza vairāk nekā AX2 ar DPR 190 µm/W.Pie 20 mm ūdens novirze un PTE AX1–3 būtiski neatšķīrās (\(p>\) 0,017).PTE līmenis ūdenī (90,2–98,4%) kopumā bija augstāks nekā gaisā (56–77,5%) (12.c att.), un eksperimenta laikā ūdenī tika novērota kavitācijas parādība (13. att., skatīt arī papildu informācija).
Uzgaļa novirzes lielums (vidējais ± SD, n = 5), kas izmērīts slīpumam L un AX1-3 gaisā un ūdenī (dziļums 20 mm), parāda slīpuma ģeometrijas maiņas ietekmi.Mērījumi tika iegūti, izmantojot nepārtrauktu vienas frekvences sinusoidālu ierosmi.(a) Novirze no maksimuma līdz maksimumam (\(u_y\vec {j}\)) galā, mērot pie (b) to attiecīgajām modālajām frekvencēm \(f_2\).c) vienādojuma jaudas pārneses efektivitāte (PTE, RMS, %).(4) un (d) novirzes jaudas koeficients (DPR, µm/W), kas aprēķināts kā novirze no maksimuma līdz maksimumam un pārraidītā elektriskā jauda \(P_T\) (Wrms).
Tipisks ātrgaitas kameras ēnu grafiks, kas parāda lancetes (L) un asimetriskā gala (AX1–3) novirzi no maksimuma līdz maksimumam (zaļas un sarkanas punktētas līnijas) ūdenī (20 mm dziļumā) puscikla laikā.cikls, ierosmes frekvencē \(f_2\) (iztveršanas frekvence 310 kHz).Uzņemtā pelēktoņu attēla izmērs ir 128 × 128 pikseļi un pikseļu izmērs ir \(\aptuveni\) 5 µm.Video var atrast papildu informācijā.
Tādējādi mēs modelējām lieces viļņa garuma izmaiņas (7. att.) un aprēķinājām pārnesamo mehānisko mobilitāti caurules garuma un slīpuma kombinācijām (8., 9. att.) tradicionālajām ģeometrisko formu lancetēm, asimetriskām un asimetriskām nošķelnēm.Pamatojoties uz pēdējo, mēs aprēķinājām optimālo attālumu 43 mm (vai \(\aptuveni) 2,75\(\lambda _y\) pie 29,75 kHz) no gala līdz metinājuma šuvei, kā parādīts 5. attēlā, un izveidojām trīs asimetriskus. šķautnes ar dažādu slīpuma garumu.Pēc tam mēs raksturojām to frekvenču uzvedību gaisā, ūdenī un 10% (w/v) ballistiskajā želatīnā salīdzinājumā ar parastajām lancetēm (10., 11. attēls) un noteicām vispiemērotāko režīmu slīpuma novirzes salīdzināšanai.Visbeidzot, mēs izmērījām uzgaļa novirzi, liekot vilni gaisā un ūdenī 20 mm dziļumā, un kvantitatīvi noteicām ievietošanas vides jaudas pārneses efektivitāti (PTE, %) un novirzes jaudas koeficientu (DPR, µm / W) katram slīpumam.leņķiskais tips (12. att.).
Ir pierādīts, ka adatas slīpuma ģeometrija ietekmē adatas gala novirzes apjomu.Lancete sasniedza vislielāko novirzi un augstāko DPR, salīdzinot ar asimetrisko slīpumu ar mazāku vidējo novirzi (12. att.).4 mm asimetriskā slīpā mala (AX1) ar garāko slīpumu sasniedza statistiski nozīmīgu maksimālo gaisa novirzi, salīdzinot ar citām asimetriskām adatām (AX2–3) (\(p < 0,017\), 2. tabula), taču būtiskas atšķirības nebija. .novērots, kad adata ir ievietota ūdenī.Tādējādi lielākam slīpajam garumam nav acīmredzamu priekšrocību attiecībā uz maksimālo novirzi galā.Paturot to prātā, izrādās, ka šajā pētījumā pētītajai slīpuma ģeometrijai ir lielāka ietekme uz novirzes lielumu nekā slīpuma garumam.Tas var būt saistīts ar lieces stingrību, piemēram, atkarībā no liekamā materiāla kopējā biezuma un adatas konstrukcijas.
Eksperimentālajos pētījumos atstarotā lieces viļņa lielumu ietekmē gala robežnosacījumi.Kad adatas galu ievieto ūdenī un želatīnā, \(\text {PTE}_{2}\) ir \(\aptuveni\) 95%, bet \(\text {PTE}_{ 2}\) ir \ (\text {PTE}_{ 2}\) vērtības ir 73% un 77% (\text {PTE}_{1}\) un \(\text {PTE}_{3}\), attiecīgi (11. att.).Tas norāda, ka maksimālā akustiskās enerģijas pārnešana uz liešanas vidi, ti, ūdeni vai želatīnu, notiek pie \(f_2\).Līdzīga uzvedība tika novērota iepriekšējā pētījumā31, izmantojot vienkāršāku ierīces konfigurāciju 41-43 kHz frekvenču diapazonā, kurā autori parādīja sprieguma atstarošanas koeficienta atkarību no iegultās vides mehāniskā moduļa.Iespiešanās dziļums32 un audu mehāniskās īpašības nodrošina mehānisku slodzi uz adatu, un tāpēc ir paredzams, ka tie ietekmēs UZEFNAB rezonanses darbību.Tādējādi rezonanses izsekošanas algoritmus (piemēram, 17, 18, 33) var izmantot, lai optimizētu caur adatu piegādāto akustisko jaudu.
Simulācija pie lieces viļņa garumiem (7. att.) parāda, ka asimetriskais gals ir strukturāli stingrāks (ti, stingrāks liecē) nekā lancete un asimetriskā slīpā mala.Pamatojoties uz (1) un izmantojot zināmo ātruma-frekvences sakarību, mēs novērtējam lieces stingrību adatas galā kā \(\about\) 200, 20 un 1500 MPa attiecīgi lancetes, asimetriskām un aksiāli slīpām plaknēm.Tas atbilst \(\lambda_y\) no \(\aptuveni\) 5,3, 1,7 un 14,2 mm pie 29,75 kHz (7.a–c att.).Ņemot vērā klīnisko drošību USeFNAB laikā, ir jānovērtē ģeometrijas ietekme uz slīpās plaknes strukturālo stingrību34.
Slīpuma parametru izpēte attiecībā pret caurules garumu (9. att.) parādīja, ka optimālais pārvades diapazons bija lielāks asimetriskajam slīpumam (1,8 mm) nekā asimetriskajam slīpumam (1,3 mm).Turklāt mobilitāte ir stabila pie \(\aptuveni) no 4 līdz 4,5 mm un attiecīgi no 6 līdz 7 mm asimetriskiem un asimetriskiem slīpumiem (9.a, b att.).Šī atklājuma praktiskā nozīme ir izteikta ražošanas pielaidēs, piemēram, zemāks optimālā TL diapazons var nozīmēt, ka ir nepieciešama lielāka garuma precizitāte.Tajā pašā laikā mobilitātes plato nodrošina lielāku pielaidi, izvēloties kritiena garumu noteiktā frekvencē, būtiski neietekmējot mobilitāti.
Pētījums ietver šādus ierobežojumus.Tieša adatas novirzes mērīšana, izmantojot malu noteikšanu un liela ātruma attēlveidošanu (12. attēls), nozīmē, ka mēs aprobežojamies ar optiski caurspīdīgiem materiāliem, piemēram, gaisu un ūdeni.Mēs arī vēlamies norādīt, ka mēs neizmantojām eksperimentus, lai pārbaudītu simulēto pārneses mobilitāti un otrādi, bet izmantojām FEM pētījumus, lai noteiktu optimālo adatu izgatavošanas garumu.Attiecībā uz praktiskiem ierobežojumiem, lancetes garums no gala līdz piedurknei ir par \(\aptuveni) 0,4 cm garāks nekā citām adatām (AX1-3), sk. att.3b.Tas var ietekmēt adatas konstrukcijas modālo reakciju.Turklāt lodmetāla forma un tilpums viļņvada tapas galā (sk. 3. attēlu) var ietekmēt tapas konstrukcijas mehānisko pretestību, ieviešot kļūdas mehāniskajā pretestībā un lieces darbībā.
Visbeidzot, mēs esam pierādījuši, ka eksperimentālā slīpuma ģeometrija ietekmē USeFNAB novirzes apjomu.Ja lielāka novirze pozitīvi ietekmētu adatas ietekmi uz audiem, piemēram, griešanas efektivitāti pēc caurduršanas, tad USeFNAB var ieteikt parasto lanceti, jo tā nodrošina maksimālu novirzi, vienlaikus saglabājot atbilstošu strukturālā gala stingrību..Turklāt nesen veikts pētījums35 ir parādījis, ka lielāka galu novirze var uzlabot bioloģiskos efektus, piemēram, kavitāciju, kas var veicināt minimāli invazīvu ķirurģisku lietojumu attīstību.Ņemot vērā, ka ir pierādīts, ka pieaugošā kopējā akustiskā jauda palielina biopsiju skaitu USeFNAB13, ir nepieciešami turpmāki kvantitatīvi pētījumi par paraugu daudzumu un kvalitāti, lai novērtētu pētītās adatas ģeometrijas detalizētos klīniskos ieguvumus.