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.
Balstoties uz fizikas un dzīvības zinātņu starpdisciplināru krustpunktu, diagnostikas un terapeitiskās stratēģijas, kuru pamatā ir precīzā medicīna, pēdējā laikā ir piesaistījušas ievērojamu uzmanību, jo jaunas inženiertehniskās metodes ir praktiski pielietojamas daudzās medicīnas jomās, īpaši onkoloģijā.Šajā kontekstā arvien lielāku zinātnieku uzmanību visā pasaulē piesaista ultraskaņas izmantošana, lai uzbruktu vēža šūnām audzējos, lai radītu iespējamus mehāniskus bojājumus dažādos mērogos.Ņemot vērā šos faktorus, pamatojoties uz elastodinamiskajiem laika risinājumiem un skaitliskām simulācijām, mēs piedāvājam iepriekšēju pētījumu par ultraskaņas izplatīšanās audos datorsimulāciju, lai ar lokālu apstarošanu izvēlētos piemērotas frekvences un jaudas.Jauna diagnostikas platforma laboratorijas On-Fiber tehnoloģijai, ko sauc par slimnīcas adatu un jau patentēta.Tiek uzskatīts, ka analīzes rezultāti un ar tiem saistītās biofizikālās atziņas varētu pavērt ceļu jaunām integrētām diagnostikas un terapeitiskām pieejām, kurām nākotnē varētu būt galvenā loma precīzās medicīnas pielietošanā, pamatojoties uz fizikas jomām.Sākas pieaugoša sinerģija starp bioloģiju.
Optimizējot lielu skaitu klīnisko lietojumu, pakāpeniski sāka parādīties nepieciešamība samazināt blakusparādības pacientiem.Šim nolūkam precīzās zāles1, 2, 3, 4, 5 ir kļuvušas par stratēģisku mērķi samazināt pacientiem piegādāto zāļu devu, būtībā ievērojot divas galvenās pieejas.Pirmā ir balstīta uz ārstēšanu, kas izstrādāta atbilstoši pacienta genoma profilam.Otrais, kas kļūst par zelta standartu onkoloģijā, paredz izvairīties no sistēmiskām zāļu ievadīšanas procedūrām, mēģinot atbrīvot nelielu daudzumu zāļu, vienlaikus palielinot precizitāti, izmantojot vietējo terapiju.Galīgais mērķis ir novērst vai vismaz samazināt daudzu terapeitisko pieeju, piemēram, ķīmijterapijas vai radionuklīdu sistēmiskas ievadīšanas, negatīvo ietekmi.Atkarībā no vēža veida, atrašanās vietas, starojuma devas un citiem faktoriem pat staru terapijai var būt augsts raksturīgs risks veseliem audiem.Ārstējot glioblastomu6,7,8,9, operācija veiksmīgi noņem pamatā esošo vēzi, taču pat tad, ja nav metastāžu, var būt daudz mazu vēža infiltrātu.Ja tie netiek pilnībā noņemti, salīdzinoši īsā laika periodā var izaugt jaunas vēža masas.Šajā kontekstā iepriekš minētās precīzās medicīnas stratēģijas ir grūti pielietot, jo šos infiltrātus ir grūti atklāt un izplatīt lielā teritorijā.Šie šķēršļi neļauj gūt galīgus rezultātus, novēršot recidīvu, izmantojot precīzās zāles, tāpēc dažos gadījumos priekšroka tiek dota sistēmiskām ievadīšanas metodēm, lai gan izmantotajām zālēm var būt ļoti augsts toksicitātes līmenis.Lai pārvarētu šo problēmu, ideāla ārstēšanas pieeja būtu izmantot minimāli invazīvas stratēģijas, kas var selektīvi uzbrukt vēža šūnām, neietekmējot veselus audus.Ņemot vērā šo argumentu, iespējamais risinājums šķiet ultraskaņas vibrāciju izmantošana, kas, kā pierādīts, atšķirīgi ietekmē vēža un veselās šūnas gan vienšūnu sistēmās, gan mezomēroga neviendabīgos klasteros.
No mehānisma viedokļa veselām un vēža šūnām faktiski ir atšķirīgas dabiskās rezonanses frekvences.Šī īpašība ir saistīta ar onkogēnām izmaiņām vēža šūnu citoskeletālās struktūras mehāniskajās īpašībās 12, 13, savukārt audzēja šūnas ir vidēji deformējamākas nekā parastās šūnas.Tādējādi, optimāli izvēloties stimulācijas ultraskaņas frekvenci, izvēlētās zonās izraisītās vibrācijas var izraisīt dzīvu vēža struktūru bojājumus, līdz minimumam samazinot ietekmi uz saimnieka veselīgo vidi.Šīs vēl pilnībā neizprotamās sekas var ietvert noteiktu šūnu strukturālo komponentu iznīcināšanu ultraskaņas izraisītu augstfrekvences vibrāciju dēļ (principā ļoti līdzīgas litotripsijai14) un šūnu bojājumus mehāniskam nogurumam līdzīgas parādības dēļ, kas savukārt var mainīt šūnu struktūru. .programmēšana un mehanobioloģija.Lai gan šis teorētiskais risinājums šķiet ļoti piemērots, diemžēl to nevar izmantot gadījumos, kad bezatskaņas bioloģiskās struktūras traucē tiešu ultraskaņas pielietošanu, piemēram, intrakraniālā aplikācijā kaula klātbūtnes dēļ un dažas krūts audzēju masas atrodas taukaudos. audi.Vājināšanās var ierobežot iespējamās terapeitiskās iedarbības vietu.Lai pārvarētu šīs problēmas, ultraskaņa ir jāpiemēro lokāli ar īpaši izstrādātiem devējiem, kas var sasniegt apstaroto vietu pēc iespējas mazāk invazīvāk.Paturot to prātā, mēs apsvērām iespēju izmantot idejas, kas saistītas ar iespēju izveidot novatorisku tehnoloģisku platformu ar nosaukumu “adatu slimnīca”15.Koncepcija "Slimnīca adatā" ietver minimāli invazīva medicīnas instrumenta izstrādi diagnostikas un terapeitiskām vajadzībām, pamatojoties uz dažādu funkciju apvienošanu vienā medicīniskajā adatā.Kā sīkāk aprakstīts sadaļā Slimnīcas adata, šī kompaktā ierīce galvenokārt ir balstīta uz 16, 17, 18, 19, 20, 21 optisko šķiedru zondu priekšrocībām, kuras savu īpašību dēļ ir piemērotas ievietošanai standarta 20. medicīniskās adatas, 22 lūmeni.Izmantojot Lab-on-Fiber (LOF)23 tehnoloģijas sniegto elastību, šķiedra faktiski kļūst par unikālu platformu miniaturizētām un lietošanai gatavām diagnostikas un terapeitiskajām ierīcēm, tostarp šķidruma biopsijas un audu biopsijas ierīcēm.biomolekulārajā noteikšanā 24, 25, gaismas vadītā lokālā zāļu ievadīšanā 26, 27, augstas precizitātes vietējā ultraskaņas attēlveidošanā28, termiskajā terapijā 29, 30 un uz spektroskopiju balstītā vēža audu identifikācijā31.Šīs koncepcijas ietvaros, izmantojot lokalizācijas pieeju, kuras pamatā ir ierīce “adata slimnīcā”, mēs pētām iespēju optimizēt vietējo bioloģisko struktūru stimulāciju, izmantojot ultraskaņas viļņu izplatīšanos caur adatām, lai ierosinātu ultraskaņas viļņus interesējošā reģionā..Tādējādi zemas intensitātes terapeitisko ultraskaņu var pielietot tieši riska zonā ar minimālu invazivitāti šūnu apstrādei ar ultraskaņu un maziem cietiem veidojumiem mīkstajos audos, jo iepriekšminētās intrakraniālās operācijas gadījumā galvaskausā ir jāievieto neliels caurums ar adata.Iedvesmojoties no jaunākajiem teorētiskajiem un eksperimentālajiem rezultātiem, kas liecina, ka ultraskaņa var apturēt vai aizkavēt noteiktu vēža veidu attīstību, 32, 33, 34 ierosinātā pieeja var palīdzēt vismaz principā risināt galvenos kompromisus starp agresīvo un ārstniecisko iedarbību.Paturot prātā šos apsvērumus, šajā rakstā mēs pētām iespēju izmantot slimnīcā ievietotu adatu ierīci minimāli invazīvai vēža ultraskaņas terapijai.Precīzāk, sadaļā Sfērisko audzēju masu izkliedes analīzē no augšanas atkarīgas ultraskaņas frekvences novērtēšanai mēs izmantojam vispāratzītas elastodinamiskās metodes un akustiskās izkliedes teoriju, lai prognozētu elastīgā vidē audzētu sfērisku cieto audzēju izmēru.stīvums, kas rodas starp audzēju un saimniekaudiem augšanas izraisītas materiāla pārveidošanas dēļ.Aprakstot mūsu sistēmu, ko saucam par sadaļu "Slimnīca adatā", sadaļā "Slimnīca adatā", mēs analizējam ultraskaņas viļņu izplatīšanos caur medicīniskajām adatām paredzētajās frekvencēs, un to skaitliskais modelis apstaro pētīto vidi. galvenie ģeometriskie parametri (faktiskais adatas iekšējais diametrs, garums un asums), kas ietekmē instrumenta akustiskās jaudas pārraidi.Ņemot vērā nepieciešamību izstrādāt jaunas precīzās medicīnas inženierijas stratēģijas, tiek uzskatīts, ka ierosinātais pētījums varētu palīdzēt izstrādāt jaunu instrumentu vēža ārstēšanai, pamatojoties uz ultraskaņas izmantošanu, kas tiek piegādāta, izmantojot integrētu terapeitisko platformu, kas integrē ultraskaņu ar citiem risinājumiem.Kombinēts, piemēram, mērķtiecīga zāļu piegāde un reāllaika diagnostika vienas adatas ietvaros.
Mehānisku stratēģiju nodrošināšana lokalizētu cieto audzēju ārstēšanai, izmantojot ultraskaņas (ultraskaņas) stimulāciju, ir bijusi vairāku darbu mērķis gan teorētiski, gan eksperimentāli par zemas intensitātes ultraskaņas vibrāciju ietekmi uz vienšūnu sistēmām 10, 11, 12 , 32, 33, 34, 35, 36 Izmantojot viskoelastīgos modeļus, vairāki pētnieki ir analītiski pierādījuši, ka audzējam un veselām šūnām ir atšķirīgas frekvences reakcijas, ko raksturo atšķirīgi rezonanses maksimumi ASV 10, 11, 12 diapazonā.Šis rezultāts liek domāt, ka principā audzēja šūnas var selektīvi uzbrukt ar mehāniskiem stimuliem, kas saglabā saimnieka vidi.Šī uzvedība ir tiešas sekas galvenajiem pierādījumiem, ka vairumā gadījumu audzēja šūnas ir kaļamākas nekā veselās šūnas, iespējams, lai uzlabotu to spēju vairoties un migrēt37, 38, 39, 40.Pamatojoties uz rezultātiem, kas iegūti ar vienšūnu modeļiem, piemēram, mikroskalā, vēža šūnu selektivitāte ir pierādīta arī mezoskalā, izmantojot skaitliskus pētījumus par neviendabīgu šūnu agregātu harmonisko reakciju.Nodrošinot atšķirīgu vēža šūnu un veselīgu šūnu procentuālo daudzumu, hierarhiski tika izveidoti simtiem mikrometru lieli daudzšūnu agregāti.Šo agregātu mezolīmenī tiek saglabātas dažas interesējošās mikroskopiskās iezīmes, jo tiek tieši ieviesti galvenie strukturālie elementi, kas raksturo atsevišķu šūnu mehānisko uzvedību.Jo īpaši katra šūna izmanto uz sasprindzinājumu balstītu arhitektūru, lai atdarinātu dažādu iepriekš nospriegotu citoskeleta struktūru reakciju, tādējādi ietekmējot to vispārējo stīvumu 12, 13.Iepriekš minētās literatūras teorētiskās prognozes un in vitro eksperimenti ir devuši iepriecinošus rezultātus, kas norāda uz nepieciešamību pētīt audzēju masu jutīgumu pret zemas intensitātes terapeitisko ultraskaņu (LITUS), un audzēju masu apstarošanas biežuma novērtēšanai ir izšķiroša nozīme.pozīcija LITUS pieteikšanās uz vietas.
Tomēr audu līmenī neizbēgami tiek zaudēts atsevišķa komponenta submakroskopiskais apraksts, un audzēja audu īpašības var izsekot, izmantojot secīgas metodes, lai izsekotu masas augšanas un stresa izraisītiem pārveidošanās procesiem, ņemot vērā audzēja audu makroskopisko ietekmi. izaugsmi.-izraisītas audu elastības izmaiņas skalā 41,42.Patiešām, atšķirībā no vienšūnu un agregātajām sistēmām, cieto audzēju masas aug mīkstajos audos, pakāpeniski uzkrājoties aberrantiem atlikušajiem spriegumiem, kas maina dabiskās mehāniskās īpašības, palielinoties vispārējai intratumorālajai stingrībai, un audzēja skleroze bieži kļūst par noteicošo faktoru. audzēja noteikšana.
Paturot prātā šos apsvērumus, šeit mēs analizējam audzēja sferoīdu sonodinamisko reakciju, kas modelēti kā elastīgi sfēriski ieslēgumi, kas aug normālā audu vidē.Precīzāk, elastīgās īpašības, kas saistītas ar audzēja stadiju, tika noteiktas, pamatojoties uz teorētiskajiem un eksperimentālajiem rezultātiem, ko daži autori ieguvuši iepriekšējā darbā.Tostarp cieto audzēju sferoīdu evolūcija, kas audzēta in vivo neviendabīgās barotnēs, ir pētīta, izmantojot nelineārus mehāniskos modeļus 41, 43, 44 kombinācijā ar starpsugu dinamiku, lai prognozētu audzēja masu attīstību un ar to saistīto intratumorālo stresu.Kā minēts iepriekš, augšana (piemēram, neelastīga iepriekšēja stiepšanās) un atlikušais spriegums izraisa progresējošu audzēja materiāla īpašību pārveidošanu, tādējādi mainot arī tā akustisko reakciju.Ir svarīgi atzīmēt, ka ref.Eksperimentālās kampaņās ar dzīvnieku modeļiem ir pierādīta audzēju augšanas un cietā stresa vienlaicīga evolūcija.Jo īpaši dažādās stadijās izoperēto krūts audzēja masu stīvuma salīdzinājums ar stīvumu, kas iegūts, reproducējot līdzīgus apstākļus in silico uz sfēriskā galīgo elementu modeļa ar vienādiem izmēriem un ņemot vērā paredzamo atlikušā sprieguma lauku, apstiprināja ierosināto metodi. modeļa derīgums..Šajā darbā iepriekš iegūtie teorētiskie un eksperimentālie rezultāti tiek izmantoti jaunas izstrādātas terapijas stratēģijas izstrādei.Jo īpaši šeit tika aprēķināti paredzamie izmēri ar atbilstošām evolūcijas pretestības īpašībām, kas tādējādi tika izmantoti, lai novērtētu frekvenču diapazonus, pret kuriem saimnieka vidē iestrādātās audzēja masas ir jutīgākas.Šim nolūkam mēs pētījām audzēja masas dinamisko uzvedību dažādos posmos, ņemot vērā akustiskos rādītājus saskaņā ar vispārpieņemto izkliedes principu, reaģējot uz ultraskaņas stimuliem, un izceļot iespējamās sferoīda rezonanses parādības. .atkarībā no audzēja un saimniekorganisma No augšanas atkarīgas stīvuma atšķirības starp audiem.
Tādējādi audzēja masas tika modelētas kā elastīgas rādiusa sfēras \ (a \) saimnieka apkārtējā elastīgajā vidē, pamatojoties uz eksperimentāliem datiem, kas parāda, kā apjomīgas ļaundabīgas struktūras aug in situ sfēriskās formās.Atsaucoties uz 1. attēlu, izmantojot sfēriskās koordinātas \(\{ r,\theta ,\varphi \}\) (kur \(\theta\) un \(\varphi\) apzīmē attiecīgi anomālijas leņķi un azimuta leņķi), audzēja domēns aizņem reģions, kas iegults veselīgā telpā \({\mathcal {V}}_{T}=\{ (r,\theta ,\varphi ):r\le a\}\) neierobežots reģions \({\mathcal { V} }_{H} = \{ (r,\theta,\varphi):r > a\}\).Atsaucoties uz papildinformāciju (SI), lai iegūtu pilnīgu matemātiskā modeļa aprakstu, pamatojoties uz vispāratzīto elastodinamisko bāzi, par kuru ziņots daudzās literatūrās 45, 46, 47, 48, šeit mēs uzskatām problēmu, ko raksturo asimetriskas svārstību režīms.Šis pieņēmums nozīmē, ka visi mainīgie lielumi audzējā un veselajos apgabalos nav atkarīgi no azimutālās koordinātas \ (\ varphi \) un ka šajā virzienā nenotiek izkropļojumi.Līdz ar to nobīdes un sprieguma laukus var iegūt no diviem skalārajiem potenciāliem \(\phi = \hat{\phi}\left( {r,\theta} \right)e^{{ – i \omega {\kern 1pt } t }}\) un \(\chi = \hat{\chi }\left( {r,\theta } \right)e^{{ – i\omega {\kern 1pt} t }}\) , tie ir attiecīgi saistīts ar garenvirziena vilni un bīdes vilni, sakritības laiks t starp pārspriegumu \(\theta \) un leņķi starp krītošā viļņa virzienu un pozīcijas vektoru \({\mathbf {x))\) ( kā parādīts 1. attēlā), un \(\omega = 2\pi f\) apzīmē leņķisko frekvenci.Konkrēti, krītošais lauks tiek modelēts plaknes vilnim \(\phi_{H}^{(in)}\) (kas arī ieviests SI sistēmā vienādojumā (A.9)), kas izplatās ķermeņa tilpumā. saskaņā ar likuma izteiksmi
kur \(\phi_{0}\) ir amplitūdas parametrs.Standarta arguments ir krītoša plaknes viļņa (1) sfēriskā izplešanās, izmantojot sfērisku viļņu funkciju:
Kur \(j_{n}\) ir pirmā veida sfēriskā Besela funkcija \(n\), un \(P_{n}\) ir Legendre polinoms.Daļa no investīciju sfēras krītošā viļņa ir izkliedēta apkārtējā vidē un pārklājas ar krītošo lauku, bet otra daļa ir izkliedēta sfēras iekšpusē, veicinot tās vibrāciju.Lai to izdarītu, viļņu vienādojuma harmoniskie risinājumi \(\nabla^{2} \hat{\phi } + k_{1}^{2} {\mkern 1mu} \hat{\phi } = 0\,\ ) un \ (\ nabla^{2} {\mkern 1mu} \hat{\chi } + k_{2}^{2} \hat{\chi } = 0\), ko nodrošina, piemēram, Eringen45 (sk. arī SI ) var norādīt uz audzēju un veselām vietām.Jo īpaši izkliedētie izplešanās viļņi un izovoluiskie viļņi, kas ģenerēti uzņēmējā vidē \(H\), pieļauj to attiecīgo potenciālo enerģiju:
Starp tiem pirmā veida sfēriskā Hankela funkcija \(h_{n}^{(1)}\) tiek izmantota, lai ņemtu vērā izejošo izkliedēto vilni, un \(\alpha_{n}\) un \(\beta_{ n}\ ) ir nezināmo koeficienti.vienādojumā.Vienādojumos (2)–(4) termini \(k_{H1}\) un \(k_{H2}\) attiecīgi apzīmē retināšanas un šķērsviļņu viļņu skaitu ķermeņa galvenajā zonā ( skatīt SI).Saspiešanas laukiem audzēja iekšpusē un nobīdēm ir forma
Kur \(k_{T1}\) un \(k_{T2}\) apzīmē garenvirziena un šķērsviļņu skaitļus audzēja reģionā, bet nezināmie koeficienti ir \(\gamma_{n} {\mkern 1mu}\) , \(\ eta_{n} {\mkern 1mu}\).Pamatojoties uz šiem rezultātiem, radiālā un apkārtmēra nobīdes komponenti, kas atšķiras no nulles, ir raksturīgi veseliem reģioniem aplūkojamajā problēmā, piemēram, \(u_{Hr}\) un \(u_{H\theta}\) (\(u_{) H\ varphi }\ ) simetrijas pieņēmums vairs nav vajadzīgs) — var iegūt no attiecības \(u_{Hr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi ) } \right) + k_}^{2 } {\mkern 1mu} r\chi\) un \(u_{H\theta} = r^{- 1} \partial_{\theta} \left({\phi + \partial_{r } ( r\chi ) } \right)\), veidojot \(\phi = \phi_{H}^{(in)} + \phi_{H}^{(s)}\) un \ (\chi = \chi_ {H}^ {(s)}\) (detalizētu matemātisko atvasinājumu skatiet SI).Līdzīgi, aizstājot \(\phi = \phi_{T}^{(s)}\) un \(\chi = \chi_{T}^{(s)}\), atgriež {Tr} = \partial_{r} \left( {\phi + \partial_{r} (r\chi)} \right) + k_{T2}^{2} {\mkern 1mu} r\chi\) un \(u_{T\theta} = r^{-1}\partial _{\theta }\left({\phi +\partial_{r}(r\chi )}\right)\).
(Pa kreisi) Veselīgā vidē audzēta sfēriska audzēja ģeometrija, caur kuru izplatās incidenta lauks, (pa labi) Atbilstošā audzēja un saimniekorganisma stinguma attiecības attīstība kā audzēja rādiusa funkcija, ziņotie dati (pielāgoti no Carotenuto et al. 41) no kompresijas testos vitro tika iegūti no cietiem krūts audzējiem, kas inokulēti ar MDA-MB-231 šūnām.
Pieņemot lineārus elastīgus un izotropus materiālus, nulles sprieguma komponenti veselajos un audzēja apgabalos, ti, \(\sigma_{Hpq}\) un \(\sigma_{Tpq}\) – ievēro vispārināto Huka likumu, ņemot vērā, ka ir dažādi Lamē moduļi , kas raksturo saimniekorganisma un audzēja elastību, apzīmēti kā \(\{ \mu_{H},\,\lambda_{H} \}\) un \(\{ \mu_{T},\, \lambda_ {T} \ }\) (skatiet vienādojumu (A.11), lai iegūtu pilnu SI attēloto sprieguma komponentu izteiksmi).Jo īpaši saskaņā ar 41. atsauces datiem, kas parādīti 1. attēlā, augošie audzēji uzrādīja izmaiņas audu elastības konstantēs.Tādējādi pārvietojumi un spriegumi saimnieka un audzēja reģionos tiek noteikti pilnībā līdz nezināmu konstantu kopai \({{ \varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_{n} ,{\mkern 1mu } \ beta_{ n} {\mkern 1mu} \gamma_{n} ,\eta_{n} \}\ ) teorētiski ir bezgalīgi izmēri.Lai atrastu šos koeficientu vektorus, tiek ieviestas piemērotas saskarnes un robežnosacījumi starp audzēju un veselajām zonām.Pieņemot perfektu saistīšanos audzēja un saimnieka saskarnē \ (r = a \), pārvietošanās un spriegumu nepārtrauktībai ir nepieciešami šādi nosacījumi:
Sistēma (7) veido vienādojumu sistēmu ar bezgalīgiem risinājumiem.Turklāt katrs robežnosacījums būs atkarīgs no anomālijas \(\theta\).Lai samazinātu robežvērtību problēmu līdz pilnīgai algebriskai problēmai ar \(N\) slēgtu sistēmu kopām, no kurām katra atrodas nezināmajā \({{\varvec{\upxi}}}_{n} = \{ \alpha_ {n},{ \mkern 1mu} \beta_{n} {\mkern 1mu} \gamma_{n}, \eta_{n} \}_{n = 0,…,N}\) (ar \ ( N \) uz \infty \), teorētiski) un, lai novērstu vienādojumu atkarību no trigonometriskajiem terminiem, saskarnes nosacījumi tiek rakstīti vājā formā, izmantojot Legendre polinomu ortogonalitāti.Konkrēti, vienādojums (7)1,2 un (7)3,4 tiek reizināts ar \(P_{n} \left( {\cos \theta} \right)\) un \(P_{n}^{ 1} \left( { \cos\theta}\right)\) un pēc tam integrējiet starp \(0\) un \(\pi\), izmantojot matemātiskās identitātes:
Tādējādi saskarnes nosacījums (7) atgriež kvadrātalgebrisko vienādojumu sistēmu, ko var izteikt matricas formā kā \({\mathbb{D}}_{n} (a) \cdot {{\varvec{\upxi }} } _{ n} = {\mathbf{q}}_{n} (a)\) un iegūstiet nezināmo \({{\varvec{\upxi}}}_{n}\ ), atrisinot Krāmera kārtulu .
Lai novērtētu sfēras izkliedēto enerģijas plūsmu un iegūtu informāciju par tās akustisko reakciju, pamatojoties uz datiem par izkliedēto lauku, kas izplatās uzņēmējā vidē, interesants ir akustiskais lielums, kas ir normalizēts bistatiskās izkliedes šķērsgriezums.Jo īpaši izkliedes šķērsgriezums, kas apzīmēts ar \(s), izsaka attiecību starp izkliedētā signāla pārraidīto akustisko jaudu un krītošā viļņa pārnestās enerģijas sadalījumu.Šajā sakarā formas funkcijas \(\left| {F_{\infty} \left(\theta \right)} \right|^{2}\) lielums ir bieži izmantots lielums akustisko mehānismu izpētē. iegults šķidrumā vai cietā Objektu izkliedēšana nogulumos.Precīzāk, formas funkcijas amplitūda ir definēta kā diferenciālās izkliedes šķērsgriezums \(ds\) uz laukuma vienību, kas atšķiras par normālu no krītošā viļņa izplatīšanās virziena:
kur \(f_{n}^{pp}\) un \(f_{n}^{ps}\) apzīmē modālo funkciju, kas attiecas uz gareniskā viļņa un izkliedētā viļņa spēku attiecību attiecībā pret krītošie P-viļņi uztverošajā vidē attiecīgi tiek doti ar šādām izteiksmēm:
Daļējo viļņu funkcijas (10) var pētīt patstāvīgi saskaņā ar rezonanses izkliedes teoriju (RST)49,50,51,52, kas ļauj atdalīt mērķa elastību no kopējā izkliedētā lauka, pētot dažādus režīmus.Saskaņā ar šo metodi modālās formas funkciju var sadalīt divu vienādu daļu summā, proti, \(f_{n} = f_{n}^{(res)} + f_{n}^{(b)}\ ) ir attiecīgi saistīti ar rezonanses un nerezonanses fona amplitūdu.Rezonanses režīma formas funkcija ir saistīta ar mērķa reakciju, savukārt fons parasti ir saistīts ar izkliedētāja formu.Lai noteiktu katra režīma mērķa pirmo formantu, modālās rezonanses formas funkcijas amplitūda \(\left| {f_{n}^{(res)} \left( \theta \right)} \right|\ ) tiek aprēķināts, pieņemot cietu fonu, kas sastāv no necaurlaidīgām sfērām elastīgā pamatmateriālā.Šo hipotēzi motivē fakts, ka kopumā gan stīvums, gan blīvums palielinās līdz ar audzēja masas pieaugumu atlikušā spiedes sprieguma dēļ.Tādējādi pie spēcīgas augšanas impedances attiecība \(\rho_{T} c_{1T} /\rho_{H} c_{1H}\) būs lielāka par 1 lielākajai daļai makroskopisko cieto audzēju, kas attīstās mīkstajos audzējos. audus.Piemēram, Krouskop et al.53 ziņoja par vēža un normālā moduļa attiecību aptuveni 4 prostatas audiem, savukārt krūts audu paraugiem šī vērtība palielinājās līdz 20.Šīs attiecības neizbēgami maina audu akustisko pretestību, kā to parāda arī elastogrāfijas analīze 54, 55, 56, un tās var būt saistītas ar lokalizētu audu sabiezēšanu, ko izraisa audzēja hiperproliferācija.Šī atšķirība ir novērota arī eksperimentāli ar vienkāršiem krūts audzēju bloku saspiešanas testiem, kas audzēti dažādos posmos32, un materiāla pārveidošanai var labi sekot ar prognozējamiem nelineāri augošu audzēju starpsugu modeļiem43, 44.Iegūtie stinguma dati ir tieši saistīti ar cieto audzēju Younga moduļa attīstību saskaņā ar formulu \(E_{T} = S\left( {1 – \nu ^{2} } \right)/a\sqrt \ varepsilon\ )( sfēras ar rādiusu \(a\), stingrību \(S\) un Puasona attiecību \(\nu\) starp divām stingrām plāksnēm 57, kā parādīts 1. attēlā).Tādējādi ir iespējams iegūt audzēja un saimniekorganisma akustiskās pretestības mērījumus dažādos augšanas līmeņos.Konkrēti, salīdzinot ar normālu audu moduli, kas vienāds ar 2 kPa 1. attēlā, krūts audzēju elastības modulis tilpuma diapazonā no aptuveni 500 līdz 1250 mm3 izraisīja pieaugumu no aptuveni 10 kPa līdz 16 kPa, kas ir atbilst ziņotajiem datiem.58., 59. atsaucē konstatēts, ka spiediens krūšu audu paraugos ir 0,25–4 kPa ar izzūdošu priekšspiešanu.Tāpat pieņemsim, ka gandrīz nesaspiežamu audu Puasona koeficients ir 41,60, kas nozīmē, ka audu blīvums būtiski nemainās, palielinoties tilpumam.Jo īpaši tiek izmantots vidējais iedzīvotāju masas blīvums \(\rho = 945\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ – 3}\)61.Ņemot vērā šos apsvērumus, stingrība var iegūt fona režīmu, izmantojot šādu izteiksmi:
Kur nezināmo konstanti \(\widehat{{{\varvec{\upxi))))_{n} = \{\delta_{n} ,\upsilon_{n} \}\) var aprēķināt, ņemot vērā nepārtrauktību novirze ( 7 )2,4, tas ir, atrisinot algebrisko sistēmu \(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) \cdot \widehat{({\varvec{\upxi}} } } _{n } = \widehat{{\mathbf{q}}}_{n} (a)\) ar nepilngadīgajiem\(\widehat{{\mathbb{D}}}_{n} (a) = \ { { \ mathbb{D}}_{n} (a)\}_{{\{ (1,3),(1,3)\} }}\) un atbilstošo vienkāršoto kolonnu vektoru\(\widehat { {\mathbf {q}}}_{n} (а)\). Sniedz pamatzināšanas par vienādojumu (11), divas atpakaļizkliedes rezonanses režīma funkcijas \(\left| {f_{n}^{{). \left( {res} \right)\,pp}} \left( \theta \right)} \right| = \left|{f_{n}^{pp} \left( \theta \right) – f_{ n}^{pp(b)} \left( \theta \right)} \right|\) un \( \left|{f_{n}^{{\left( {res} \right)\,ps} } \left( \theta \right)} \right|= \left|{f_{n}^{ps} \left( \theta \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( \ theta \right)} \right|\) attiecas attiecīgi uz P-viļņa ierosmi un P- un S-viļņu atstarošanos.Turklāt pirmā amplitūda tika novērtēta kā \(\theta = \pi\), bet otrā amplitūda tika novērtēta kā \(\theta = \pi/4\).Ielādējot dažādas kompozīcijas īpašības.2. attēlā redzams, ka audzēja sferoīdu, kuru diametrs ir aptuveni 15 mm, rezonanses pazīmes galvenokārt koncentrējas 50-400 kHz frekvenču joslā, kas norāda uz iespēju izmantot zemas frekvences ultraskaņu, lai izraisītu rezonanses audzēja ierosmi.šūnas.Daudz.Šajā frekvenču joslā RST analīze atklāja vienmoda formantus 1. līdz 6. režīmiem, kas iezīmēti 3. attēlā. Šeit gan pp-, gan ps-izkliedētie viļņi parāda pirmā tipa formantus, kas sastopami ļoti zemās frekvencēs, kas palielinās no aptuveni 20 kHz 1. režīmam līdz aptuveni 60 kHz, ja n = 6, neuzrāda būtisku atšķirību sfēras rādiusā.Pēc tam rezonanses funkcija ps samazinās, savukārt lielas amplitūdas pp formantu kombinācija nodrošina aptuveni 60 kHz periodiskumu, parādot lielāku frekvences nobīdi, palielinoties režīma skaitam.Visas analīzes tika veiktas, izmantojot Mathematica®62 skaitļošanas programmatūru.
Atpakaļ izkliedes formas funkcijas, kas iegūtas no dažāda lieluma krūts audzēju moduļa, ir parādītas 1. attēlā, kur ir izceltas augstākās izkliedes joslas, ņemot vērā režīmu superpozīcijas.
Atlasīto režīmu rezonanses no \(n = 1\) līdz \(n = 6\), kas aprēķinātas pēc P-viļņa ierosmes un atstarošanas pie dažādiem audzēja izmēriem (melnas līknes no \(\left | {f_{ n} ^ {{\ left( {res} \right)\,pp}} \left( \pi \right)} \right| = \left| {f_{n}^{pp} \left ( \pi \ right) –. f_( f_{n }^{{\left( {res} \right)\,ps}} \left( {\pi /4} \right)} \right| = \left|. \left( {\pi /4} \right) – f_{n}^{ps(b)} \left( {\pi /4} \right)} \right |\)).
Šīs provizoriskās analīzes rezultāti, izmantojot tālā lauka izplatīšanās apstākļus, var vadīt piedziņas specifisko piedziņas frekvenču izvēli šādās skaitliskās simulācijās, lai izpētītu mikrovibrācijas stresa ietekmi uz masu.Rezultāti liecina, ka optimālo frekvenču kalibrēšana var būt atkarīga no stadijas audzēja augšanas laikā, un to var noteikt, izmantojot augšanas modeļu rezultātus, lai noteiktu slimību terapijā izmantotās biomehāniskās stratēģijas, lai pareizi prognozētu audu remodelāciju.
Nozīmīgi sasniegumi nanotehnoloģiju jomā liek zinātnieku aprindām atrast jaunus risinājumus un metodes miniaturizētu un minimāli invazīvu medicīnas ierīču izstrādei in vivo lietojumiem.Šajā kontekstā LOF tehnoloģija ir parādījusi ievērojamu spēju paplašināt optisko šķiedru iespējas, ļaujot izstrādāt jaunas minimāli invazīvas optiskās šķiedras ierīces dzīvības zinātnes lietojumiem21, 63, 64, 65. Ideja integrēt 2D un 3D materiālus ar vēlamajām ķīmiskajām, bioloģiskajām un optiskajām īpašībām optisko šķiedru sānos 25 un/vai galos 64 ar pilnu telpisko kontroli nanomērogā noved pie jaunas optisko šķiedru nanooptodu klases rašanās.ir plašs diagnostisko un terapeitisko funkciju klāsts.Interesanti, ka optiskās šķiedras to ģeometrisko un mehānisko īpašību (mazs šķērsgriezums, liela malu attiecība, elastība, mazs svars) un materiālu (parasti stikla vai polimēru) bioloģiskās saderības dēļ ir labi piemērotas ievietošanai adatās un katetros.Medicīnas pielietojumi20, paverot ceļu jaunam "adatu slimnīcas" redzējumam (sk. 4. attēlu).
Faktiski, pateicoties brīvības pakāpēm, ko nodrošina LOF tehnoloģija, izmantojot mikro- un nanostruktūru integrāciju, kas izgatavotas no dažādiem metāliskiem un/vai dielektriskiem materiāliem, optiskās šķiedras var pareizi funkcionēt īpašiem lietojumiem, kas bieži atbalsta rezonanses režīma ierosmi., Gaismas lauks 21 ir stingri novietots.Gaismas ierobežošana apakšviļņa garuma mērogā, bieži vien kombinācijā ar ķīmisku un/vai bioloģisku apstrādi63 un jutīgu materiālu, piemēram, viedo polimēru 65, 66 integrāciju, var uzlabot gaismas un vielas mijiedarbības kontroli, kas var būt noderīga terapijas nolūkos.Integrēto komponentu/materiālu veida un izmēra izvēle acīmredzami ir atkarīga no nosakāmajiem fizikālajiem, bioloģiskajiem vai ķīmiskajiem parametriem21,63.
LOF zondu integrēšana medicīniskās adatās, kas vērstas uz noteiktām ķermeņa vietām, ļaus veikt lokālas šķidruma un audu biopsijas in vivo, nodrošinot vienlaicīgu lokālu ārstēšanu, samazinot blakusparādības un palielinot efektivitāti.Potenciālās iespējas ietver dažādu cirkulējošo biomolekulu, tostarp vēža, noteikšanu.biomarķieri vai mikroRNS (miRNS)67, vēža audu identificēšana, izmantojot lineāro un nelineāro spektroskopiju, piemēram, Ramana spektroskopiju (SERS)31, augstas izšķirtspējas fotoakustisko attēlveidošanu22, 28, 68, lāzerķirurģiju un ablāciju69, kā arī lokālas ievadīšanas zāles, izmantojot gaismu27 un automātiska adatu ievadīšana cilvēka ķermenī20.Ir vērts atzīmēt, ka, lai gan optisko šķiedru izmantošana ļauj izvairīties no tipiskiem "klasisko" metožu trūkumiem, kuru pamatā ir elektroniskie komponenti, piemēram, nepieciešamība pēc elektriskiem savienojumiem un elektromagnētisko traucējumu klātbūtne, tas ļauj efektīvi integrēt dažādus LOF sensorus sistēma.viena medicīniskā adata.Īpaša uzmanība jāpievērš kaitīgo seku, piemēram, piesārņojuma, optisko traucējumu, fizisku šķēršļu, kas izraisa šķērsrunas efektu starp dažādām funkcijām, samazināšanai.Tomēr ir arī taisnība, ka daudzām no minētajām funkcijām nav jābūt aktīvām vienlaikus.Šis aspekts ļauj vismaz samazināt traucējumus, tādējādi ierobežojot negatīvo ietekmi uz katras zondes veiktspēju un procedūras precizitāti.Šie apsvērumi ļauj mums uztvert jēdzienu "adata slimnīcā" kā vienkāršu redzējumu, lai liktu stabilu pamatu nākamās paaudzes terapeitiskajām adatām dzīvības zinātnēs.
Attiecībā uz konkrēto pielietojumu, kas apspriests šajā rakstā, nākamajā sadaļā mēs skaitliski izpētīsim medicīniskās adatas spēju virzīt ultraskaņas viļņus cilvēka audos, izmantojot to izplatīšanos pa savu asi.
Ultraskaņas viļņu izplatīšanās caur medicīnisko adatu, kas piepildīta ar ūdeni un ievietota mīkstajos audos (sk. diagrammu 5.a attēlā), tika modelēta, izmantojot komerciālo Comsol Multiphysics programmatūru, kuras pamatā ir galīgo elementu metode (FEM)70, kur tiek modelēta adata un audi. kā lineāra elastīga vide.
Atsaucoties uz 5.b attēlu, adata ir veidota kā dobs cilindrs (pazīstams arī kā “kanula”), kas izgatavots no nerūsējošā tērauda, ​​kas ir standarta materiāls medicīniskajām adatām71.Jo īpaši tas tika modelēts ar Janga moduli E = 205 GPa, Puasona koeficientu ν = 0,28 un blīvumu ρ = 7850 kg m -372,73.Ģeometriski adatu raksturo garums L, iekšējais diametrs D (saukts arī par “klīrensu”) un sienas biezums t.Turklāt tiek uzskatīts, ka adatas gals ir slīps leņķī α attiecībā pret garenvirzienu (z).Ūdens tilpums būtībā atbilst adatas iekšējā reģiona formai.Šajā sākotnējā analīzē tika pieņemts, ka adata ir pilnībā iegremdēta audu apgabalā (tiek pieņemts, ka tas stiepjas bezgalīgi), modelēts kā sfēra ar rādiusu rs, kas visu simulāciju laikā palika nemainīga 85 mm.Sīkāk mēs pabeidzam sfērisko reģionu ar perfekti saskaņotu slāni (PML), kas vismaz samazina nevēlamos viļņus, kas atspoguļojas no “iedomātajām” robežām.Pēc tam mēs izvēlējāmies rādiusu rs tā, lai sfēriskā domēna robeža būtu pietiekami tālu no adatas, lai neietekmētu skaitļošanas risinājumu, un pietiekami mazu, lai neietekmētu simulācijas skaitļošanas izmaksas.
Irbuļa ģeometrijas apakšējai robežai tiek piemērota frekvences f un amplitūdas A harmoniska gareniskā nobīde;šī situācija ir ievades stimuls, kas tiek piemērots simulētajai ģeometrijai.Uz pārējām adatas robežām (saskaroties ar audiem un ūdeni) tiek uzskatīts, ka pieņemtais modelis ietver saistību starp divām fizikālām parādībām, no kurām viena ir saistīta ar strukturālo mehāniku (adatas laukumam), un otrs uz konstrukciju mehāniku.(acicular apgabalam), td attiecgi nosacjumi tiek uzlikti akustikai (denim un acs apgabalam)74.Jo īpaši nelielas vibrācijas, kas tiek pielietotas adatas ligzdai, rada nelielus sprieguma traucējumus;tādējādi, pieņemot, ka adata darbojas kā elastīga vide, nobīdes vektoru U var novērtēt no elastodinamiskā līdzsvara vienādojuma (Navier)75.Adatas strukturālās svārstības izraisa izmaiņas ūdens spiedienā tās iekšienē (mūsu modelī tas uzskatāms par stacionāru), kā rezultātā skaņas viļņi izplatās adatas garenvirzienā, būtībā pakļaujoties Helmholca vienādojumam76.Visbeidzot, pieņemot, ka nelineārie efekti audos ir niecīgi un ka bīdes viļņu amplitūda ir daudz mazāka nekā spiediena viļņu amplitūda, Helmholca vienādojumu var izmantot arī, lai modelētu akustisko viļņu izplatīšanos mīkstos audos.Pēc šīs tuvināšanas audi tiek uzskatīti par šķidrumu77 ar blīvumu 1000 kg/m3 un skaņas ātrumu 1540 m/s (neņemot vērā no frekvences atkarīgos slāpēšanas efektus).Lai savienotu šos divus fiziskos laukus, ir jānodrošina normālas kustības nepārtrauktība uz cietas vielas un šķidruma robežas, statiskais līdzsvars starp spiedienu un spriegumu, kas ir perpendikulārs cietas vielas robežai, un tangenciālais spriegums uz cietās vielas robežas. šķidrumam jābūt vienādam ar nulli.75 .
Savā analīzē mēs pētām akustisko viļņu izplatīšanos pa adatu stacionāros apstākļos, koncentrējoties uz adatas ģeometrijas ietekmi uz viļņu emisiju audos.Jo īpaši mēs pētījām adatas D iekšējā diametra, garuma L un slīpuma leņķa α ietekmi, saglabājot biezumu t 500 µm visos pētītajos gadījumos.Šī t vērtība ir tuvu tipiskajam standarta sienas biezumam 71 komerciālām adatām.
Nezaudējot vispārīgumu, adatas pamatnei pielietotā harmoniskā nobīdes frekvence f tika uzskatīta par vienādu ar 100 kHz, un amplitūda A bija 1 μm.Jo īpaši frekvence tika iestatīta uz 100 kHz, kas atbilst analītiskajiem aprēķiniem, kas sniegti sadaļā “Sfērisku audzēju masu izkliedes analīze, lai novērtētu no augšanas atkarīgās ultraskaņas frekvences”, kur tika konstatēta audzēja masu rezonansei līdzīga uzvedība. frekvenču diapazons 50–400 kHz, ar lielāko izkliedes amplitūdu koncentrējoties zemākās frekvencēs ap 100–200 kHz (sk. 2. att.).
Pirmais pētītais parametrs bija adatas iekšējais diametrs D.Ērtības labad tas ir definēts kā vesela daļa no akustiskā viļņa garuma adatas dobumā (ti, ūdenī λW = 1,5 mm).Patiešām, viļņu izplatīšanās parādības ierīcēs, kuras raksturo noteikta ģeometrija (piemēram, viļņvadā), bieži ir atkarīgas no izmantotās ģeometrijas raksturīgā lieluma salīdzinājumā ar izplatošā viļņa viļņa garumu.Turklāt pirmajā analīzē, lai labāk uzsvērtu diametra D ietekmi uz akustiskā viļņa izplatīšanos caur adatu, mēs uzskatījām plakanu galu, iestatot leņķi α = 90°.Šīs analīzes laikā adatas garums L tika fiksēts 70 mm.
Uz att.6.a attēlā parādīta vidējā skaņas intensitāte kā bezdimensiju skalas parametra SD funkcija, ti, D = λW/SD, kas novērtēta sfērā ar 10 mm rādiusu, kas centrēta uz atbilstošās adatas gala.Mērogošanas parametrs SD mainās no 2 līdz 6, ti, mēs uzskatām D vērtības diapazonā no 7,5 mm līdz 2,5 mm (pie f = 100 kHz).Sortimentā ir iekļauta arī standarta vērtība 71 nerūsējošā tērauda medicīniskajām adatām.Kā paredzēts, adatas iekšējais diametrs ietekmē adatas izstarotās skaņas intensitāti ar maksimālo vērtību (1030 W/m2), kas atbilst D = λW/3 (ti, D = 5 mm) un samazināšanās tendenci līdz ar samazināšanos. diametrs.Jāņem vērā, ka diametrs D ir ģeometrisks parametrs, kas ietekmē arī medicīniskās ierīces invazivitāti, tāpēc šo kritisko aspektu nevar ignorēt, izvēloties optimālo vērtību.Tāpēc, lai gan D samazināšanās notiek akustiskās intensitātes zemākas pārraides dēļ audos, turpmākajos pētījumos diametrs D = λW/5, ti, D = 3 mm (atbilst 11G71 standartam pie f = 100 kHz) , tiek uzskatīts par saprātīgu kompromisu starp ierīces uzmācību un skaņas intensitātes pārraidi (vidēji aptuveni 450 W/m2).
Skaņas vidējā intensitāte, ko izstaro adatas gals (uzskata par plakanu), atkarībā no adatas iekšējā diametra (a), garuma (b) un slīpuma leņķa α (c).Garums (a, c) ir 90 mm un diametrs (b, c) ir 3 mm.
Nākamais analizējamais parametrs ir adatas garums L. Kā norādīts iepriekšējā gadījuma izpētē, mēs uzskatām, ka slīpais leņķis α = 90° un garums tiek mērogots kā viļņa garuma daudzkārtnis ūdenī, ti, jāņem vērā L = SL λW .Bezdimensiju mēroga parametrs SL tiek mainīts no 3 uz 7, tādējādi novērtējot adatas gala izstarotās skaņas vidējo intensitāti garuma diapazonā no 4,5 līdz 10,5 mm.Šis diapazons ietver tipiskas vērtības komerciālām adatām.Rezultāti ir parādīti attēlā.6b attēlā, kas parāda, ka adatas garumam L ir liela ietekme uz skaņas intensitātes pārraidi audos.Konkrēti, šī parametra optimizācija ļāva uzlabot pārraidi par aptuveni vienu pakāpi.Faktiski analizētajā garuma diapazonā vidējā skaņas intensitāte iegūst lokālo maksimumu 3116 W/m2 pie SL = 4 (ti, L = 60 mm), bet otra atbilst SL = 6 (ti, L = 90). mm).
Analizējot adatas diametra un garuma ietekmi uz ultraskaņas izplatīšanos cilindriskā ģeometrijā, mēs koncentrējāmies uz slīpuma leņķa ietekmi uz skaņas intensitātes pārraidi audos.No šķiedras gala izplūstošās skaņas vidējā intensitāte tika novērtēta kā leņķa α funkcija, mainot tās vērtību no 10° (ass gals) līdz 90° (plakans gals).Šajā gadījumā integrējošās sfēras rādiuss ap attiecīgo adatas galu bija 20 mm, tāpēc visām α vērtībām adatas gals tika iekļauts tilpumā, kas aprēķināts no vidējā.
Kā parādīts attēlā.6c, kad gals ir uzasināts, ti, kad α samazinās, sākot no 90°, pārraidītās skaņas intensitāte palielinās, sasniedzot maksimālo vērtību aptuveni 1,5 × 105 W/m2, kas atbilst α = 50°, ti, 2 ir par lielumu augstāks attiecībā pret plakanu stāvokli.Turpinot asināt galu (ti, pie α zem 50°), skaņas intensitātei ir tendence samazināties, sasniedzot vērtības, kas salīdzināmas ar saplacinātu galu.Tomēr, lai gan mēs savās simulācijās ņēmām vērā plašu slīpuma leņķu klāstu, ir vērts uzskatīt, ka gala asināšana ir nepieciešama, lai atvieglotu adatas ievietošanu audos.Faktiski mazāks slīpuma leņķis (apmēram 10°) var samazināt spēku 78, kas nepieciešams, lai iekļūtu audos.
Papildus audos pārraidītās skaņas intensitātes vērtībai slīpuma leņķis ietekmē arī viļņu izplatīšanās virzienu, kā parādīts skaņas spiediena līmeņa diagrammās, kas parādītas 7.a (plakanam galam) un 3b (10° leņķim) attēlā. ).slīps gals), paralēls Garenvirziens tiek novērtēts simetrijas plaknē (yz, sk. 5. att.).Šo divu apsvērumu galējās robežās skaņas spiediena līmenis (saukts par 1 µPa) galvenokārt koncentrējas adatas dobumā (ti, ūdenī) un izstaro audos.Sīkāk, plakana gala gadījumā (7.a att.) skaņas spiediena līmeņa sadalījums ir ideāli simetrisks attiecībā pret garenvirzienu, un ķermeni piepildošajā ūdenī var atšķirt stāvviļņus.Vilnis ir orientēts gareniski (z-ass), amplitūda sasniedz maksimālo vērtību ūdenī (apmēram 240 dB) un samazinās šķērsvirzienā, kas noved pie vājināšanās aptuveni 20 dB 10 mm attālumā no adatas centra.Kā gaidīts, smailā gala ieviešana (7.b att.) pārtrauc šo simetriju, un stāvviļņu antimezgli “novirzās” atbilstoši adatas galam.Acīmredzot šī asimetrija ietekmē adatas gala starojuma intensitāti, kā aprakstīts iepriekš (6.c attēls).Lai labāk izprastu šo aspektu, akustiskā intensitāte tika novērtēta pa griezuma līniju, kas ir ortogonāla adatas garenvirzienam, kas atradās adatas simetrijas plaknē un atradās 10 mm attālumā no adatas gala ( rezultāti 7.c attēlā).Precīzāk, skaņas intensitātes sadalījumi, kas novērtēti 10 °, 20 ° un 30 ° slīpā leņķī (attiecīgi zilas, sarkanas un zaļas nepārtrauktas līnijas), tika salīdzinātas ar sadalījumu plakanā gala tuvumā (melni punktētas līknes).Intensitātes sadalījums, kas saistīts ar plakanām adatām, šķiet simetrisks attiecībā pret adatas centru.Konkrēti, tā centrā iegūst vērtību aptuveni 1420 W/m2, pārplūde aptuveni 300 W/m2 ~8 mm attālumā un pēc tam samazinās līdz apmēram 170 W/m2 pie ~30 mm. .Kad gals kļūst smails, centrālā daiva sadalās vairākās dažādas intensitātes daivās.Precīzāk, kad α bija 30°, profilā varēja skaidri atšķirt trīs ziedlapiņas, mērot 1 mm attālumā no adatas gala.Centrālais atrodas gandrīz adatas centrā, un tā aptuvenā vērtība ir 1850 W / m2, bet augšējā labajā pusē ir aptuveni 19 mm no centra un sasniedz 2625 W / m2.Pie α = 20° ir 2 galvenās daivas: viena uz –12 mm pie 1785 W/m2 un viena uz 14 mm pie 1524 W/m2.Kad gals kļūst asāks un leņķis sasniedz 10°, pie aptuveni -20 mm tiek sasniegts maksimums 817 W/m2, un gar profilu ir redzamas vēl trīs daivas ar nedaudz mazāku intensitāti.
Skaņas spiediena līmenis adatas ar plakanu galu (a) un 10° slīpumu (b) simetrijas plaknē y–z.c) Akustiskās intensitātes sadalījums, kas novērtēts pa griezuma līniju, kas ir perpendikulāra adatas garenvirzienam, 10 mm attālumā no adatas gala un atrodas simetrijas plaknē yz.Garums L ir 70 mm un diametrs D ir 3 mm.
Kopumā šie rezultāti parāda, ka medicīniskās adatas var efektīvi izmantot, lai pārraidītu ultraskaņu ar frekvenci 100 kHz mīkstos audos.Izstarotās skaņas intensitāte ir atkarīga no adatas ģeometrijas, un to var optimizēt (ievērojot ierobežojumus, ko nosaka gala ierīces invazivitāte) līdz vērtībām 1000 W/m2 diapazonā (pie 10 mm).uzlikts uz adatas apakšas 1. Mikrometra nobīdes gadījumā tiek uzskatīts, ka adata ir pilnībā ievietota bezgalīgi izplešanās mīkstajos audos.Konkrēti, slīpuma leņķis spēcīgi ietekmē skaņas viļņu izplatīšanās intensitāti un virzienu audos, kas galvenokārt noved pie adatas gala griezuma ortogonalitātes.
Lai atbalstītu jaunu audzēju ārstēšanas stratēģiju izstrādi, pamatojoties uz neinvazīvu medicīnisko metožu izmantošanu, analītiski un skaitļošanas veidā tika analizēta zemfrekvences ultraskaņas izplatība audzēja vidē.Jo īpaši pētījuma pirmajā daļā pagaidu elastodinamiskais risinājums ļāva mums izpētīt ultraskaņas viļņu izkliedi zināma izmēra un stīvuma cieto audzēju sferoīdos, lai izpētītu masas frekvences jutību.Pēc tam tika izvēlētas frekvences simtiem kilohercu un tika modelēta lokālā vibrācijas sprieguma pielietošana audzēja vidē, izmantojot medicīnisko adatas piedziņu, pētot galveno konstrukcijas parametru ietekmi, kas nosaka akustiskās skaņas pārnesi. instrumenta ietekme uz vidi.Rezultāti liecina, ka medicīniskās adatas var efektīvi izmantot audu apstarošanai ar ultraskaņu, un tās intensitāte ir cieši saistīta ar adatas ģeometrisko parametru, ko sauc par darba akustisko viļņa garumu.Faktiski apstarošanas intensitāte caur audiem palielinās, palielinoties adatas iekšējam diametram, sasniedzot maksimumu, ja diametrs trīs reizes pārsniedz viļņa garumu.Adatas garums nodrošina arī zināmu brīvību, lai optimizētu ekspozīciju.Pēdējais rezultāts patiešām tiek maksimizēts, ja adatas garums ir iestatīts uz noteiktu darbības viļņa garuma daudzkārtni (konkrēti 4 un 6).Interesanti, ka interesējošajam frekvenču diapazonam optimizētās diametra un garuma vērtības ir tuvas tām, ko parasti izmanto standarta komerciālām adatām.Slīpuma leņķis, kas nosaka adatas asumu, arī ietekmē izstarojuma spēju, sasniedzot maksimumu pie aptuveni 50° un nodrošinot labu veiktspēju aptuveni 10° leņķī, ko parasti izmanto komerciālām adatām..Simulācijas rezultāti tiks izmantoti, lai vadītu slimnīcas intraadatas diagnostikas platformas ieviešanu un optimizāciju, integrējot diagnostisko un terapeitisko ultraskaņu ar citiem ierīcē iebūvētiem terapeitiskiem risinājumiem un īstenojot sadarbības precīzas medicīnas iejaukšanās.
Koenig IR, Fuchs O, Hansen G, von Mutius E. un Kopp MV Kas ir precīzā medicīna?Eur, ārzemju.Žurnāls 50, 1700391 (2017).
Collins, FS un Varmus, H. Jaunas iniciatīvas precīzijas medicīnā.N. eng.J. Medicīna.372, 793–795 (2015).
Hsu, W., Mārkijs, MK un Vangs, MD.Biomedicīnas attēlveidošanas informātika precīzās medicīnas laikmetā: sasniegumi, izaicinājumi un iespējas.Jam.medicīna.informēt.Docents.20(6), 1010–1013 (2013).
Garraway, LA, Verweij, J. & Ballman, KV Precīzijas onkoloģija: pārskats.J. Klīniskā.Oncol.31, 1803–1805 (2013).
Wiwatchaitawee, K., Quarterman, J., Geary, S. un Salem, A. Glioblastomas (GBM) terapijas uzlabošana, izmantojot uz nanodaļiņām balstītu piegādes sistēmu.AAPS PharmSciTech 22, 71 (2021).
Aldape K, Zadeh G, Mansouri S, Reifenberger G un von Daimling A. Glioblastoma: patoloģija, molekulārie mehānismi un marķieri.Acta neiropatoloģija.129(6), 829–848 (2015).
Bušs, NAO, Čangs, SM un Bergers, MS Pašreizējās un nākotnes stratēģijas gliomas ārstēšanai.neiroķirurģija.Ed.40, 1–14 (2017).