Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Sliders, der viser tre artikler pr. slide.Brug tilbage- og næste-knapperne til at flytte gennem diasene, eller dias-controllerknapperne i slutningen til at flytte gennem hvert dias.
Det er for nylig blevet påvist, at brugen af ​​ultralyd kan forbedre vævsudbyttet i ultralydsforstærket finnålsaspirationsbiopsi (USeFNAB) sammenlignet med konventionel finnålsaspirationsbiopsi (FNAB).Forholdet mellem affasningsgeometri og nålespidsvirkning er endnu ikke blevet undersøgt.I denne undersøgelse undersøgte vi egenskaberne ved nåle-resonans og afbøjningsamplitude for forskellige nåle-bevel-geometrier med forskellige affasningslængder.Ved anvendelse af en konventionel lancet med et snit på 3,9 mm var spidsafbøjningseffektfaktoren (DPR) 220 og 105 µm/W i henholdsvis luft og vand.Dette er højere end den aksesymmetriske 4 mm skråspids, som opnåede en DPR på 180 og 80 µm/W i henholdsvis luft og vand.Denne undersøgelse fremhæver vigtigheden af ​​forholdet mellem bøjningsstivheden af ​​affasningsgeometrien i sammenhæng med forskellige indføringshjælpemidler, og kan dermed give indsigt i metoder til styring af skærevirkning efter punktering ved at ændre nålefasgeometrien, hvilket er vigtigt for USeFNAB.Ansøgning har betydning.
Fine needle aspiration biopsi (FNAB) er en teknik, hvor en nål bruges til at udtage en prøve af væv, når der er mistanke om en abnormitet1,2,3.Fransen-type spidser har vist sig at give højere diagnostisk ydeevne end traditionelle Lancet4 og Menghini5 spidser.Aksisymmetriske (dvs. periferiske) affasninger er også blevet foreslået for at øge sandsynligheden for en passende prøve til histopatologi6.
Under en biopsi føres en nål gennem lag af hud og væv for at afsløre mistænkelig patologi.Nylige undersøgelser har vist, at ultralydsaktivering kan reducere den punkturkraft, der kræves for at få adgang til blødt væv7,8,9,10.Nålebevelgeometri har vist sig at påvirke nåleinteraktionskræfter, f.eks. har længere affasninger vist sig at have lavere vævsgennemtrængningskræfter 11 .Det er blevet foreslået, at efter at nålen er trængt ind i vævsoverfladen, dvs. efter punktering, kan nålens skærekraft være 75 % af den samlede nål-væv-interaktionskraft12.Ultralyd (US) har vist sig at forbedre kvaliteten af ​​diagnostisk bløddelsbiopsi i post-punkturfasen13.Andre metoder til at forbedre knoglebiopsikvaliteten er blevet udviklet til prøveudtagning af hårdt væv14,15, men der er ikke rapporteret resultater, der forbedrer biopsikvaliteten.Flere undersøgelser har også fundet, at mekanisk forskydning stiger med stigende ultralydsdrevspænding16,17,18.Selvom der er mange undersøgelser af aksiale (langsgående) statiske kræfter i nåle-væv-interaktioner19,20, er undersøgelser af den tidsmæssige dynamik og nålebevelgeometri i ultralydsforstærket FNAB (USeFNAB) begrænsede.
Formålet med denne undersøgelse var at undersøge effekten af ​​forskellige affasningsgeometrier på nålespidsvirkning drevet af nålefleksion ved ultralydsfrekvenser.Især undersøgte vi injektionsmediets virkning på nålespidsafbøjning efter punktering for konventionelle nåleaffasninger (f.eks. lancetter), aksesymmetriske og asymmetriske enkeltfasgeometrier (fig. for at lette udviklingen af ​​USeFNAB-nåle til forskellige formål såsom selektiv sugning adgang eller bløddelskerner.
Forskellige affasningsgeometrier blev inkluderet i denne undersøgelse.(a) Lancetter i overensstemmelse med ISO 7864:201636, hvor \(\alpha\) er den primære affasningsvinkel, \(\theta\) er den sekundære affasningsrotationsvinkel, og \(\phi\) er den sekundære affasningsrotationsvinkel i grader , i grader (\(^\cirkel\)).(b) lineære asymmetriske enkelttrinsaffasninger (kaldet "standard" i DIN 13097:201937) og (c) lineære aksesymmetriske (periferiske) enkelttrinsfasninger.
Vores tilgang er først at modellere ændringen i bøjningsbølgelængden langs hældningen for konventionelle lancet-, aksesymmetriske og asymmetriske enkelt-trins hældningsgeometrier.Vi beregnede derefter en parametrisk undersøgelse for at undersøge effekten af ​​skråvinkel og rørlængde på transportmekanismens mobilitet.Dette gøres for at bestemme den optimale længde til fremstilling af en prototype nål.Baseret på simuleringen blev der fremstillet nåleprototyper, og deres resonansadfærd i luft, vand og 10 % (vægt/volumen) ballistisk gelatine blev eksperimentelt karakteriseret ved at måle spændingsreflektionskoefficienten og beregne effektoverførselseffektiviteten, hvorfra driftsfrekvensen var fast besluttet..Endelig bruges højhastighedsbilleddannelse til direkte at måle afbøjningen af ​​bøjningsbølgen ved spidsen af ​​nålen i luft og vand og til at estimere den elektriske effekt, der transmitteres af hver tilt og afbøjningseffektfaktoren (DPR) geometrien af ​​den injicerede medium.
Som vist i figur 2a, brug nr. 21 rør (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm rørvægtykkelse, standardvæg som specificeret i ISO 9626:201621) lavet af 316 rustfrit stål (Youngs modul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), massefylde 8070 kg/m\(^{3}\), Poissons forhold 0,275).
Bestemmelse af bøjningsbølgelængden og tuning af finite element model (FEM) af nålen og randbetingelser.(a) Bestemmelse af skrålængde (BL) og rørlængde (TL).(b) Tredimensionel (3D) finite element model (FEM) ved hjælp af harmonisk punktkraft \(\tilde{F}_y\vec{j}\) til at excitere nålen i den proksimale ende, afbøje punktet og måle hastigheden pr. tip (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) for at beregne den mekanistiske transportmobilitet.\(\lambda _y\) er defineret som bøjningsbølgelængden forbundet med den lodrette kraft \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Bestem tyngdepunktet, tværsnitsareal A og inertimomenter \(I_{xx}\) og \(I_{yy}\) omkring henholdsvis x-aksen og y-aksen.
Som vist i fig.2b,c, for en uendelig (uendelig) stråle med tværsnitsareal A og ved en stor bølgelængde sammenlignet med størrelsen af ​​bjælkens tværsnit, bøjnings- (eller bøjnings-) fasehastigheden \(c_{EI}\ ) er defineret som 22:
hvor E er Youngs modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) er excitationsvinkelfrekvensen (rad/s), hvor \( f_0 \ ) er den lineære frekvens (1/s eller Hz), I er inertimomentet for området omkring interesseaksen \((\text {m}^{4})\) og \(m'=\ rho _0 A \) er massen på enhedslængde (kg/m), hvor \(\rho _0\) er massefylden \((\tekst {kg/m}^{3})\) og A er krydset -snitareal af strålen (xy-plan) (\ (\text {m}^{2}\)).Da den påførte kraft i vores tilfælde er parallel med den lodrette y-akse, dvs. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), er vi kun interesserede i inertimomentet for området omkring den vandrette x- akse, dvs. \(I_{xx} \), Det er derfor:
For finite element-modellen (FEM) antages en ren harmonisk forskydning (m), så accelerationen (\(\text {m/s}^{2}\)) udtrykkes som \(\partial ^2 \vec { u}/ \ partial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), f.eks. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) er en tredimensionel forskydningsvektor defineret i rumlige koordinater.Udskiftning af sidstnævnte med den endeligt deformerbare lagrangske form af momentumbalanceloven23, ifølge dens implementering i COMSOL Multiphysics-softwarepakken (version 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), giver:
Hvor \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) er tensor-divergensoperatoren, og \({\underline{\sigma}}\) er den anden Piola-Kirchhoff-spændingstensor (anden orden, \(\ tekst { N /m}^{2}\)), og \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) er vektoren af ​​kropskraften (\(\text {N/m}^{3}\)) af hvert deformerbart volumen, og \(e^{j\phi }\) er fasen af kropskraft, har en fasevinkel \(\ phi\) (rad).I vores tilfælde er kroppens volumenkraft nul, og vores model antager geometrisk linearitet og små rent elastiske deformationer, dvs. \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), hvor \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) og \({\underline{ \varepsilon}}\) – henholdsvis elastisk deformation og total deformation (dimensionsløs af anden orden).Hookes konstitutive isotropiske elasticitetstensor \(\underline {\underline {C))\) opnås ved brug af Youngs modul E(\(\text{N/m}^{2}\)) og Poissons forhold v defineres, således at \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (fjerde orden).Så spændingsberegningen bliver til \({\understregning{\sigma}} := \understregning{\understregning{C}}:{\understregning{\varepsilon}}\).
Beregningerne blev udført med 10-node tetraedriske elementer med elementstørrelse \(\le\) 8 µm.Nålen er modelleret i vakuum, og den mekaniske mobilitetsoverførselsværdi (ms-1 H-1) er defineret som \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, hvor \(\tilde{v}_y\vec {j}\) er håndstykkets output komplekse hastighed, og \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) er en kompleks drivkraft placeret ved den proksimale ende af røret, som vist i fig. 2b.Transmissiv mekanisk mobilitet udtrykkes i decibel (dB) med den maksimale værdi som reference, dvs. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Alle FEM-undersøgelser blev udført ved en frekvens på 29,75 kHz.
Nålens design (fig. 3) består af en konventionel 21 gauge hypodermisk nål (katalognummer: 4665643, Sterican\(^\circledR\), med en ydre diameter på 0,8 mm, en længde på 120 mm, lavet af AISI krom-nikkel rustfrit stål 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Tyskland) anbragt en plastik Luer Lock-manchet fremstillet af polypropylen proksimalt med en tilsvarende spidsmodifikation.Nålerøret er loddet til bølgelederen som vist i fig. 3b.Bølgelederen blev printet på en 3D-printer i rustfrit stål (EOS Stainless Steel 316L på en EOS M 290 3D-printer, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) og derefter fastgjort til Langevin-sensoren ved hjælp af M4-bolte.Langevin-transduceren består af 8 piezoelektriske ringelementer med to vægte i hver ende.
De fire typer spidser (billedet), en kommercielt tilgængelig lancet (L) og tre fremstillede aksesymmetriske enkelttrinsfasninger (AX1–3) var karakteriseret ved affasningslængder (BL) på henholdsvis 4, 1,2 og 0,5 mm.(a) Nærbillede af den færdige nålespids.(b) Set ovenfra af fire stifter loddet til en 3D-printet bølgeleder og derefter forbundet til Langevin-sensoren med M4-bolte.
Tre aksesymmetriske skråspidser (fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) blev fremstillet med skrålængder (BL, bestemt i fig. 2a) på 4,0, 1,2 og 0,5 mm, svarende til \(\ca.\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) og 18\(^\circ\).Bølgelederen og pennens vægte er 3,4 ± 0,017 g (gennemsnit ± SD, n = 4) for henholdsvis affasning L og AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Tyskland).Den samlede længde fra spidsen af ​​nålen til enden af ​​plastikhylsteret er 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm for henholdsvis affasningen L og AX1-3 i figur 3b.
For alle nålekonfigurationer er længden fra spidsen af ​​nålen til spidsen af ​​bølgelederen (dvs. loddeområdet) 4,3 cm, og nålerøret er orienteret, så affasningen vender opad (dvs. parallelt med Y-aksen) ).), som i (fig. 2).
Et brugerdefineret script i MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA), der kører på en computer (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) blev brugt til at generere et lineært sinusformet sweep fra 25 til 35 kHz på 7 sekunder, konverteret til et analogt signal af en digital-til-analog (DA) konverter (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Det analoge signal \(V_0\) (0,5 Vp-p) blev derefter forstærket med en dedikeret radiofrekvens (RF) forstærker (Mariachi Oy, Turku, Finland).Den faldende forstærkerspænding \({V_I}\) udsendes fra RF-forstærkeren med en udgangsimpedans på 50 \(\Omega\) til en transformer indbygget i nålestrukturen med en indgangsimpedans på 50 \(\Omega)\) Langevin transducer (forreste og bagerste flerlags piezoelektriske transducere, fyldt med masse) bruges til at generere mekaniske bølger.Den brugerdefinerede RF-forstærker er udstyret med en dual-channel standing wave power factor (SWR) meter, der kan detektere indfaldende \({V_I}\) og reflekteret forstærket spænding \(V_R\) gennem en 300 kHz analog-til-digital (AD) ) konverter (Analog Discovery 2).Excitationssignalet er amplitudemoduleret i begyndelsen og i slutningen for at forhindre overbelastning af forstærkerens input med transienter.
Ved at bruge et brugerdefineret script implementeret i MATLAB, antager frekvensresponsfunktionen (AFC), dvs. et lineært stationært system.Anvend også et 20 til 40 kHz båndpasfilter for at fjerne eventuelle uønskede frekvenser fra signalet.Med henvisning til transmissionslinjeteori er \(\tilde{H}(f)\) i dette tilfælde ækvivalent med spændingsreflektionskoefficienten, dvs. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Da forstærkerens udgangsimpedans \(Z_0\) svarer til indgangsimpedansen for konverterens indbyggede transformer, og reflektionskoefficienten for elektrisk effekt \({P_R}/{P_I}\) reduceres til \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), så er \(|\rho _{V}|^2\).I det tilfælde, hvor den absolutte værdi af elektrisk effekt er påkrævet, skal du beregne den indfaldende \(P_I\) og den reflekterede\(P_R\) effekt (W) ved at tage kvadratmiddelværdien (rms) af den tilsvarende spænding, f.eks. for en transmissionslinje med sinusformet excitation, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, hvor \(Z_0\) er lig med 50 \(\Omega\).Den elektriske effekt leveret til belastningen \(P_T\) (dvs. det indsatte medium) kan beregnes som \(|P_I – P_R |\) (W RMS), og effektoverførselseffektiviteten (PTE) kan defineres og udtrykkes som en procent (%) giver således 27:
Frekvensresponsen bruges derefter til at estimere modale frekvenser \(f_{1-3}\) (kHz) af stylus-designet og den tilsvarende effektoverførselseffektivitet, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) estimeres direkte fra \(\text {PTE}_{1{-}3}\), fra tabel 1 frekvenser \(f_{1-3}\) beskrevet i .
En metode til måling af frekvensresponsen (AFC) af en nåleformet struktur.Dual-channel swept-sine måling25,38 bruges til at opnå frekvensresponsfunktionen \(\tilde{H}(f)\) og dens impulsrespons H(t).\({\mathcal {F}}\) og \({\mathcal {F}}^{-1}\) angiver henholdsvis den numeriske trunkerede Fourier-transformation og den inverse transformationsoperation.\(\tilde{G}(f)\) betyder, at de to signaler multipliceres i frekvensdomænet, f.eks. \(\tilde{G}_{XrX}\) betyder invers scan\(\tilde{X} r( f )\) og spændingsfaldssignal \(\tilde{X}(f)\).
Som vist i fig.5, højhastighedskamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) udstyret med et makroobjektiv (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokyo, Japan) blev brugt til at registrere afbøjningen af ​​en nålespids udsat for bøjningsexcitation (enkeltfrekvens, kontinuerlig sinusformet) ved en frekvens på 27,5-30 kHz.For at skabe et skyggekort blev et afkølet element af en hvid LED med høj intensitet (varenummer: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Tyskland) placeret bag nålens affasning.
Set forfra af forsøgsopstillingen.Dybden måles fra medieoverfladen.Nålestrukturen er fastspændt og monteret på et motoriseret overføringsbord.Brug et højhastighedskamera med en høj forstørrelseslinse (5\(\ gange\)) til at måle afbøjningen af ​​den skrå spids.Alle mål er i millimeter.
For hver type nåleaffasning optog vi 300 højhastighedskamerarammer på 128 \(\x\) 128 pixels, hver med en rumlig opløsning på 1/180 mm (\(\ca.) 5 µm), med en tidsmæssig opløsning på 310.000 billeder i sekundet.Som vist i figur 6 beskæres hver ramme (1) (2), så spidsen er i den sidste linje (nederst) af rammen, og derefter beregnes histogrammet for billedet (3), så Canny tærskler 1 og 2 kan bestemmes.Anvend derefter Canny28(4) kantdetektion ved hjælp af Sobel-operatoren 3 \(\times\) 3 og beregn pixelpositionen af ​​den ikke-kavitationelle hypotenuse (mærket \(\mathbf {\times }\)) for alle 300-fold trin .For at bestemme spændvidden af ​​afbøjningen i slutningen beregnes den afledede (ved hjælp af den centrale differensalgoritme) (6), og rammen, der indeholder de lokale ekstrema (dvs. toppen) af afbøjningen (7) identificeres.Efter visuel inspektion af den ikke-kaviterende kant, blev et par rammer (eller to rammer adskilt af en halv tidsperiode) (7) valgt og spidsafbøjningen målt (mærket \(\mathbf {\times} \ ) Ovenstående blev implementeret i Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) ved hjælp af OpenCV Canny edge-detektionsalgoritmen (v4.5.1, open source computervision-bibliotek, opencv.org) (P_T \) (W, rms) .
Tipafbøjning blev målt ved hjælp af en række billeder taget fra et højhastighedskamera ved 310 kHz ved hjælp af en 7-trins algoritme (1-7) inklusive framing (1-2), Canny edge-detektion (3-4), pixelplaceringskant beregning (5) og deres tidsderivater (6), og til sidst spids-til-spids-afbøjning blev målt på visuelt inspicerede par af rammer (7).
Målinger blev taget i luft (22,4-22,9°C), deioniseret vand (20,8-21,5°C) og ballistisk gelatine 10% (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Kvæg- og svineknoglegelatine til type I ballistisk analyse, Honeywell International, North Carolina, USA).Temperaturen blev målt med en K-type termoelementforstærker (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) og et K-type termoelement (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Fra mediet blev dybden målt fra overfladen (indstillet som z-aksens oprindelse) ved hjælp af et lodret motoriseret z-aksetrin (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litauen) med en opløsning på 5 µm.pr. trin.
Da stikprøvestørrelsen var lille (n = 5) og normalitet ikke kunne antages, blev der brugt en to-stikprøve to-halet Wilcoxon rangsumtest (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) for at sammenligne mængden af ​​varians nålespids for forskellige affasninger.Der var 3 sammenligninger pr. hældning, så der blev anvendt en Bonferroni-korrektion med et justeret signifikansniveau på 0,017 og en fejlrate på 5%.
Lad os nu gå til Fig.7.Ved en frekvens på 29,75 kHz er bøjningshalvbølgen (\(\lambda_y/2\)) af en 21-gauge nål \(\ca.) 8 mm.Når man nærmer sig spidsen, aftager bøjningsbølgelængden langs den skrå vinkel.På spidsen \(\lambda _y/2\) \(\ca.\) er der trin på 3, 1 og 7 mm for den sædvanlige lancetformede (a), asymmetriske (b) og aksesymmetriske (c) hældning af en enkelt nål , henholdsvis.Det betyder således, at lancettens rækkevidde er \(\ca.) 5 mm (på grund af det faktum, at lancettens to planer danner et enkelt punkt29,30), den asymmetriske affasning er 7 mm, den asymmetriske affasning er 1 mm.Aksysymmetriske skråninger (tyngdepunktet forbliver konstant, så det er kun rørets vægtykkelse, der faktisk ændres langs skråningen).
FEM undersøgelser og anvendelse af ligninger ved en frekvens på 29,75 kHz.(1) Ved beregning af variationen af ​​bøjningshalvbølgen (\(\lambda_y/2\)) for lancet (a), asymmetriske (b) og aksesymmetriske (c) affasningsgeometrier (som i fig. 1a,b,c) ).Gennemsnitsværdien \(\lambda_y/2\) af lancetten, asymmetriske og aksesymmetriske affasninger var henholdsvis 5,65, 5,17 og 7,52 mm.Bemærk, at spidstykkelsen for asymmetriske og aksesymmetriske affasninger er begrænset til \(\ca.) 50 µm.
Maksimal mobilitet \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) er den optimale kombination af rørlængde (TL) og skrålængde (BL) (fig. 8, 9).For en konventionel lancet, da dens størrelse er fast, er den optimale TL \(\ca.) 29,1 mm (fig. 8).For asymmetriske og aksesymmetriske affasninger (henholdsvis fig. 9a, b) inkluderede FEM-undersøgelser BL fra 1 til 7 mm, så den optimale TL var fra 26,9 til 28,7 mm (interval 1,8 mm) og fra 27,9 til 29,2 mm (interval 1,3 mm).For den asymmetriske hældning (fig. 9a) steg den optimale TL lineært, nåede et plateau ved BL 4 mm og faldt derefter kraftigt fra BL 5 til 7 mm.For en aksesymmetrisk affasning (fig. 9b) steg den optimale TL lineært med stigende BL og stabiliserede sig endelig ved BL fra 6 til 7 mm.En udvidet undersøgelse af aksesymmetrisk hældning (fig. 9c) afslørede et andet sæt af optimale TL'er ved \(\approx) 35,1-37,1 mm.For alle BL'er er afstanden mellem de to bedste TL'er \(\ca.\) 8 mm (svarende til \(\lambda_y/2\)).
Lancet-transmissionsmobilitet ved 29,75 kHz.Nålen blev fleksibelt exciteret ved en frekvens på 29,75 kHz, og vibration blev målt ved spidsen af ​​nålen og udtrykt som mængden af ​​transmitteret mekanisk mobilitet (dB i forhold til den maksimale værdi) for TL 26,5-29,5 mm (i 0,1 mm intervaller) .
Parametriske undersøgelser af FEM ved en frekvens på 29,75 kHz viser, at overføringsmobiliteten af ​​en aksesymmetrisk spids er mindre påvirket af en ændring i længden af ​​røret end dens asymmetriske modstykke.Faslængde (BL) og rørlængde (TL) undersøgelser af asymmetriske (a) og aksesymmetriske (b, c) affasningsgeometrier i frekvensdomæneundersøgelsen ved brug af FEM (grænsebetingelser er vist i fig. 2).(a, b) TL varierede fra 26,5 til 29,5 mm (0,1 mm trin) og BL 1-7 mm (0,5 mm trin).(c) Udvidede aksesymmetriske hældningsundersøgelser inklusive TL 25–40 mm (i 0,05 mm intervaller) og BL 0,1-7 mm (i 0,1 mm intervaller), der viser, at \(\lambda_y/2\ ) skal opfylde kravene til spidsen.bevægelige grænsebetingelser.
Nålekonfigurationen har tre egenfrekvenser \(f_{1-3}\) opdelt i lav-, medium- og højtilstandsområder som vist i tabel 1. PTE-størrelsen blev registreret som vist i fig.10 og derefter analyseret i fig. 11. Nedenfor er resultaterne for hvert modalt område:
Typiske registrerede øjeblikkelige kraftoverførselseffektivitets (PTE) amplituder opnået med sinusformet excitation med swept-frekvens for en lancet (L) og aksesymmetrisk affasning AX1-3 i luft, vand og gelatine i en dybde på 20 mm.Ensidige spektre er vist.Den målte frekvensrespons (samplet ved 300 kHz) blev lavpasfiltreret og derefter nedskaleret med en faktor 200 til modal analyse.Signal-til-støj-forholdet er \(\le\) 45 dB.PTE-faser (lilla stiplede linjer) er vist i grader (\(^{\circ}\)).
Modal responsanalyse (gennemsnit ± standardafvigelse, n = 5) vist i fig. 10, for skråninger L og AX1-3, i luft, vand og 10 % gelatine (dybde 20 mm), med (øverste) tre modale områder ( lav, mellem og høj) og deres tilsvarende modale frekvenser\(f_{1-3 }\) (kHz), (gennemsnitlig) energieffektivitet \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Beregnet ved hjælp af ækvivalenter .(4) og (nederst) fuld bredde ved henholdsvis halve maksimale mål \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Bemærk, at båndbreddemålingen blev sprunget over, da en lav PTE blev registreret, dvs. \(\text {FWHM}_{1}\) i tilfælde af AX2-hældning.\(f_2\)-tilstanden viste sig at være den mest velegnede til at sammenligne hældningsafbøjninger, da den viste det højeste niveau af effektoverførselseffektivitet (\(\text {PTE}_{2}\)), op til 99 %.
Første modale område: \(f_1\) afhænger ikke meget af typen af ​​medie, der er indsat, men afhænger af hældningens geometri.\(f_1\) aftager med aftagende skrålængde (henholdsvis 27,1, 26,2 og 25,9 kHz i luft for AX1-3).De regionale gennemsnit \(\text {PTE}_{1}\) og \(\text {FWHM}_{1}\) er henholdsvis \(\approx\) 81 % og 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) har det højeste gelatineindhold i lancetten (L, 473 Hz).Bemærk, at \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 i gelatine ikke kunne evalueres på grund af den lave registrerede FRF-amplitude.
Det andet modale område: \(f_2\) afhænger af typen af ​​medie, der er indsat, og affasningen.Gennemsnitsværdier \(f_2\) er 29,1, 27,9 og 28,5 kHz i henholdsvis luft, vand og gelatine.Denne modale region viste også en høj PTE på 99 %, den højeste af nogen målt gruppe, med et regionalt gennemsnit på 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) har et regionalt gennemsnit på \(\ca.\) 910 Hz.
Tredje tilstandsområde: frekvens \(f_3\) afhænger af medietypen og affasningen.Gennemsnitlige \(f_3\) værdier er 32,0, 31,0 og 31,3 kHz i henholdsvis luft, vand og gelatine.Regionsgennemsnittet for \(\text {PTE}_{3}\) var \(\ca.\) 74 %, det laveste af nogen region.Det regionale gennemsnit \(\text {FWHM}_{3}\) er \(\ca.\) 1085 Hz, hvilket er højere end det første og andet område.
       Det følgende henviser til fig.12 og tabel 2. Lancetten (L) afbøjede mest (med høj signifikans for alle spidser, \(p<\) 0,017) i både luft og vand (fig. 12a), og opnåede den højeste DPR (op til 220 µm/ W i luften). 12 og tabel 2. Lancetten (L) afbøjede mest (med høj signifikans for alle spidser, \(p<\) 0,017) i både luft og vand (fig. 12a), og opnåede den højeste DPR (op til 220 µm/ W i luften). Следующее относится к рисунку 12 og таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего для высоюце ов, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Følgende gælder for figur 12 og tabel 2. Lancet (L) afbøjede mest (med høj signifikans for alle spidser, \(p<\) 0,017) i både luft og vand (fig. 12a), hvilket opnåede den højeste DPR.(gør 220 μm/W i luft).Smt.Figur 12 og tabel 2 nedenfor.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着怞，\(p<\) 0,017，徉．Ｐ，柳叶刀高DPR （在空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) har den højeste afbøjning i luft og vand (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), og opnåede den højeste DPR (op til 220/W i µm) luft). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) возидух, возидух ибольшего DPR (op til 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) afbøjede mest (høj signifikans for alle spidser, \(p<\) 0,017) i luft og vand (fig. 12a), og nåede den højeste DPR (op til 220 µm/W i luft). I luft afbøjede AX1, som havde højere BL, højere end AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), mens AX3 (som havde laveste BL) afbøjede mere end AX2 med en DPR på 190 µm/W. I luft afbøjede AX1, som havde højere BL, højere end AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), mens AX3 (som havde laveste BL) afbøjede mere end AX2 med en DPR på 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), мкада когда (bl.) онялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft afbøjede AX1 med højere BL højere end AX2–3 (med signifikans \(p<\) 0,017), hvorimod AX3 (med laveste BL) afbøjede mere end AX2 med 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，\(p<\)暄暄轈值AX2-3转更高（具有显着性，\(p<\) 0,017．AX，轈倽AX）偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W . I luft er afbøjningen af ​​AX1 med højere BL højere end for AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), og afbøjningen af ​​AX3 (med laveste BL) er større end for AX2, DPR er 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда каки мкан (мсак мы). тся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft afbøjer AX1 med højere BL mere end AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), hvorimod AX3 (med laveste BL) afbøjer mere end AX2 med DPR 190 μm/W.Ved 20 mm vand var afbøjningen og PTE AX1–3 ikke signifikant forskellige (\(p>\) 0,017).Niveauerne af PTE i vand (90,2-98,4%) var generelt højere end i luft (56-77,5%) (fig. 12c), og fænomenet kavitation blev bemærket under forsøget i vand (fig. 13, se også yderligere) Information).
Mængden af ​​spidsafbøjning (gennemsnit ± SD, n = 5) målt for affasning L og AX1-3 i luft og vand (dybde 20 mm) viser effekten af ​​at ændre affasningsgeometri.Målingerne blev opnået under anvendelse af kontinuerlig sinusformet excitation med enkelt frekvens.(a) Top til top afvigelse (\(u_y\vec {j}\)) ved spidsen, målt ved (b) deres respektive modale frekvenser \(f_2\).(c) Effektoverførselseffektivitet (PTE, RMS, %) af ligningen.(4) og (d) Afbøjningseffektfaktor (DPR, µm/W) beregnet som afvigelse peak-to-peak og transmitteret elektrisk effekt \(P_T\) (Wrms).
Et typisk højhastighedskamera-skyggeplot, der viser top-til-top-afvigelsen (grønne og røde stiplede linjer) af en lancet (L) og en aksesymmetrisk spids (AX1–3) i vand (20 mm dybde) over en halv cyklus.cyklus, ved excitationsfrekvens \(f_2\) (samplingfrekvens 310 kHz).Det optagne gråtonebillede har en størrelse på 128×128 pixels og en pixelstørrelse på \(\ca.\) 5 µm.Video kan findes i yderligere information.
Således modellerede vi ændringen i bøjningsbølgelængden (fig. 7) og beregnede den overførbare mekaniske mobilitet for kombinationer af rørlængde og affasning (fig. 8, 9) for konventionelle lancet-, asymmetriske og aksesymmetriske affasninger af geometriske former.Baseret på sidstnævnte estimerede vi den optimale afstand på 43 mm (eller \(\ca.) 2,75\(\lambda _y\) ved 29,75 kHz) fra spidsen til svejsningen, som vist i fig. 5, og gjorde tre aksesymmetriske affasninger med forskellige affasningslængder.Vi karakteriserede derefter deres frekvensadfærd i luft, vand og 10 % (vægt/volumen) ballistisk gelatine sammenlignet med konventionelle lancetter (figur 10, 11) og bestemte den mest velegnede tilstand til sammenligning af skråafbøjning.Til sidst målte vi spidsafbøjning ved at bøje bølge i luft og vand i en dybde på 20 mm og kvantificerede effektoverførselseffektiviteten (PTE, %) og afbøjningseffektfaktoren (DPR, µm/W) af indføringsmediet for hver affasning.vinkeltype (fig. 12).
Det har vist sig, at nålens affasningsgeometri påvirker mængden af ​​afbøjning af nålespidsen.Lancetten opnåede den højeste afbøjning og den højeste DPR sammenlignet med den aksesymmetriske affasning med lavere gennemsnitlig afbøjning (fig. 12).Den 4 mm aksesymmetriske affasning (AX1) med den længste affasning opnåede en statistisk signifikant maksimal afbøjning i luft sammenlignet med de andre aksesymmetriske nåle (AX2–3) (\(p < 0,017\), tabel 2), men der var ingen signifikant forskel. .observeres, når nålen placeres i vand.Der er således ingen åbenlys fordel ved at have en længere affasningslængde med hensyn til spidsafbøjning ved spidsen.Med dette in mente ser det ud til, at den affasningsgeometri, der er undersøgt i denne undersøgelse, har en større effekt på afbøjningen end længden af ​​affasningen.Dette kan skyldes bøjningsstivhed, for eksempel afhængig af den samlede tykkelse af materialet, der bøjes, og nålens udformning.
I eksperimentelle undersøgelser påvirkes størrelsen af ​​den reflekterede bøjningsbølge af spidsens randbetingelser.Når nålespidsen indsættes i vand og gelatine, er \(\text {PTE}_{2}\) \(\ca.\) 95 %, og \(\text {PTE}_{ 2}\) er \ (\text {PTE}_{ 2}\) værdierne er 73% og 77% for (\text {PTE}_{1}\) og \(\text {PTE}_{3}\), henholdsvis (fig. 11).Dette indikerer, at den maksimale overførsel af akustisk energi til støbemediet, dvs. vand eller gelatine, sker ved \(f_2\).Lignende adfærd blev observeret i en tidligere undersøgelse31 ved brug af en enklere enhedskonfiguration i 41-43 kHz frekvensområdet, hvor forfatterne viste afhængigheden af ​​spændingsrefleksionskoefficienten af ​​det mekaniske modul af indlejringsmediet.Indtrængningsdybden32 og vævets mekaniske egenskaber giver en mekanisk belastning på nålen og forventes derfor at påvirke UZEFNAB's resonansadfærd.Således kan resonanssporingsalgoritmer (f.eks. 17, 18, 33) bruges til at optimere den akustiske effekt leveret gennem nålen.
Simulering ved bøjningsbølgelængder (fig. 7) viser, at den aksesymmetriske spids er strukturelt mere stiv (dvs. mere stiv i bøjning) end lancetten og den asymmetriske affasning.Baseret på (1) og ved hjælp af den kendte hastighed-frekvens-relation estimerer vi bøjningsstivheden ved nålespidsen til \(\ca.\) 200, 20 og 1500 MPa for henholdsvis lancet-, asymmetriske og aksiale skråplaner.Dette svarer til \(\lambda_y\) på henholdsvis \(\ca.\) 5,3, 1,7 og 14,2 mm ved 29,75 kHz (fig. 7a–c).I betragtning af den kliniske sikkerhed under USeFNAB bør effekten af ​​geometri på den strukturelle stivhed af det skrå plan vurderes34.
En undersøgelse af affasningsparametrene i forhold til rørlængden (fig. 9) viste, at det optimale transmissionsområde var højere for den asymmetriske affasning (1,8 mm) end for den aksesymmetriske affasning (1,3 mm).Derudover er mobiliteten stabil ved \(\ca.) fra 4 til 4,5 mm og fra 6 til 7 mm for henholdsvis asymmetriske og aksesymmetriske hældninger (fig. 9a, b).Den praktiske betydning af denne opdagelse kommer til udtryk i fremstillingstolerancer, for eksempel kan et lavere område af optimal TL betyde, at der kræves større længdenøjagtighed.Samtidig giver mobilitetsplateauet en større tolerance for valg af længden af ​​dykket ved en given frekvens uden væsentlig indflydelse på mobiliteten.
Undersøgelsen omfatter følgende begrænsninger.Direkte måling af nåleafbøjning ved hjælp af kantdetektion og højhastighedsbilleddannelse (Figur 12) betyder, at vi er begrænset til optisk transparente medier såsom luft og vand.Vi vil også gerne påpege, at vi ikke brugte eksperimenter til at teste den simulerede overførselsmobilitet og omvendt, men brugte FEM-studier til at bestemme den optimale længde til nålefremstilling.Med hensyn til praktiske begrænsninger er lancettens længde fra spids til ærme \(\ca.) 0,4 cm længere end andre nåle (AX1-3), se fig.3b.Dette kan påvirke den modale respons af nåledesignet.Derudover kan formen og volumen af ​​loddemetal for enden af ​​en bølgelederstift (se figur 3) påvirke den mekaniske impedans af stiftdesignet, hvilket indfører fejl i den mekaniske impedans og bøjningsadfærd.
Endelig har vi vist, at den eksperimentelle affasningsgeometri påvirker mængden af ​​afbøjning i USeFNAB.Hvis en større udbøjning ville have en positiv effekt på virkningen af ​​nålen på væv, såsom skæreeffektivitet efter piercing, så kan en konventionel lancet anbefales i USeFNAB, da den giver maksimal afbøjning og samtidig opretholder tilstrækkelig stivhed af den strukturelle spids..Desuden har en nylig undersøgelse35 vist, at større spidsafbøjning kan forstærke biologiske effekter såsom kavitation, hvilket kan bidrage til udviklingen af ​​minimalt invasive kirurgiske applikationer.I betragtning af, at stigende total akustisk kraft har vist sig at øge biopsiudbyttet i USeFNAB13, er yderligere kvantitative undersøgelser af prøveudbytte og kvalitet nødvendige for at evaluere de detaljerede kliniske fordele ved den undersøgte nålegeometri.