Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Skyveknapper som viser tre artikler per lysbilde.Bruk tilbake- og neste-knappene for å gå gjennom lysbildene, eller lysbildekontrollknappene på slutten for å gå gjennom hvert lysbilde.
Det har nylig blitt påvist at bruk av ultralyd kan forbedre vevsutbyttet i ultralydforbedret finnålsaspirasjonsbiopsi (USeFNAB) sammenlignet med konvensjonell finnålsaspirasjonsbiopsi (FNAB).Forholdet mellom skrågeometri og nålespissvirkning er ennå ikke undersøkt.I denne studien undersøkte vi egenskapene til nåleresonans og avbøyningsamplitude for forskjellige nålefasgeometrier med forskjellige faslengder.Ved bruk av en konvensjonell lansett med 3,9 mm kutt var spissens defleksjonseffektfaktor (DPR) 220 og 105 µm/W i henholdsvis luft og vann.Dette er høyere enn den aksesymmetriske 4 mm avfasede spissen, som oppnådde en DPR på 180 og 80 µm/W i henholdsvis luft og vann.Denne studien fremhever viktigheten av forholdet mellom bøyningsstivheten til skrågeometrien i sammenheng med ulike innsettingshjelpemidler, og kan dermed gi innsikt i metoder for å kontrollere skjæreaksjonen etter punktering ved å endre nålefasgeometrien, noe som er viktig for USeFNAB.Søknad har betydning.
Finnålsaspirasjonsbiopsi (FNAB) er en teknikk der en nål brukes til å ta en prøve av vev når det er mistanke om en abnormitet1,2,3.Spisser av Franseen-typen har vist seg å gi høyere diagnostisk ytelse enn tradisjonelle Lancet4- og Menghini5-spisser.Aksisymmetriske (dvs. periferiske) avfasninger har også blitt foreslått for å øke sannsynligheten for en tilstrekkelig prøve for histopatologi6.
Under en biopsi føres en nål gjennom lag med hud og vev for å avsløre mistenkelig patologi.Nyere studier har vist at ultralydaktivering kan redusere punkteringskraften som kreves for å få tilgang til bløtvev7,8,9,10.Nålefasgeometri har vist seg å påvirke nålens interaksjonskrefter, f.eks. har lengre skråkanter vist seg å ha lavere vevpenetrasjonskrefter 11.Det har blitt foreslått at etter at nålen har penetrert vevsoverflaten, dvs. etter punktering, kan skjærekraften til nålen være 75 % av den totale nål-vev interaksjonskraften12.Ultralyd (US) har vist seg å forbedre kvaliteten på diagnostisk bløtvevsbiopsi i postpunkturfasen13.Andre metoder for å forbedre benbiopsikvaliteten er utviklet for prøvetaking av hardt vev14,15, men ingen resultater er rapportert som forbedrer biopsikvaliteten.Flere studier har også funnet at mekanisk forskyvning øker med økende ultralyddrivspenning16,17,18.Selv om det er mange studier av aksiale (langsgående) statiske krefter i nål-vev-interaksjoner19,20, er studier på den tidsmessige dynamikken og nåleskrågeometrien i ultralydforsterket FNAB (USeFNAB) begrenset.
Målet med denne studien var å undersøke effekten av forskjellige skrågeometrier på nålespissens handling drevet av nålfleksjon ved ultralydfrekvenser.Spesielt undersøkte vi effekten av injeksjonsmediet på avbøyning av nålespissen etter punktering for konvensjonelle nåleavfasninger (f.eks. lansetter), aksesymmetriske og asymmetriske enkeltfasgeometrier (fig. for å lette utviklingen av USeFNAB-nåler for ulike formål som selektiv suging tilgang eller bløtvevskjerner.
Ulike skrågeometrier ble inkludert i denne studien.(a) Lansetter i samsvar med ISO 7864:201636 der \(\alpha\) er den primære skråvinkelen, \(\theta\) er den sekundære skrårotasjonsvinkelen, og \(\phi\) er den sekundære skrårotasjonsvinkelen i grader , i grader (\(^\circ\)).(b) lineære asymmetriske enkelttrinns faser (kalt "standard" i DIN 13097:201937) og (c) lineære aksesymmetriske (omkrets) enkelttrinns faser.
Vår tilnærming er å først modellere endringen i bøyningsbølgelengden langs skråningen for konvensjonelle lansett-, aksesymmetriske og asymmetriske enkelt-trinns skråningsgeometrier.Vi beregnet deretter en parametrisk studie for å undersøke effekten av skråvinkel og rørlengde på transportmekanismens mobilitet.Dette gjøres for å bestemme den optimale lengden for å lage en prototypenål.Basert på simuleringen ble nåleprototyper laget og deres resonansoppførsel i luft, vann og 10 % (vekt/volum) ballistisk gelatin ble eksperimentelt karakterisert ved å måle spenningsrefleksjonskoeffisienten og beregne kraftoverføringseffektiviteten, hvorfra driftsfrekvensen ble fast bestemt..Til slutt brukes høyhastighetsavbildning til direkte å måle avbøyningen av bøyebølgen på spissen av nålen i luft og vann, og for å estimere den elektriske kraften som overføres av hver tilt og defleksjonseffektfaktoren (DPR) geometrien til den injiserte medium.
Som vist i figur 2a, bruk nr. 21 rør (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm rørveggtykkelse, standard vegg som spesifisert i ISO 9626:201621) laget av 316 rustfritt stål ( Youngs modul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), tetthet 8070 kg/m\(^{3}\), Poissons forhold 0,275).
Bestemmelse av bøyningsbølgelengden og tuning av den endelige elementmodellen (FEM) av nålen og grenseforhold.(a) Bestemmelse av faslengde (BL) og rørlengde (TL).(b) Tredimensjonal (3D) finitt element-modell (FEM) som bruker harmonisk punktkraft \(\tilde{F}_y\vec{j}\) for å eksitere nålen i den proksimale enden, avlede punktet og måle hastighet per tips (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) for å beregne den mekanistiske transportmobiliteten.\(\lambda _y\) er definert som bøyningsbølgelengden assosiert med den vertikale kraften \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Bestem tyngdepunktet, tverrsnittsarealet A og treghetsmomentene \(I_{xx}\) og \(I_{yy}\) rundt henholdsvis x-aksen og y-aksen.
Som vist i fig.2b,c, for en uendelig (uendelig) stråle med tverrsnittsareal A og med stor bølgelengde sammenlignet med størrelsen på tverrsnittet til strålen, bøye- (eller bøynings-) fasehastigheten \(c_{EI}\ ) er definert som 22:
hvor E er Youngs modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) er eksitasjonsvinkelfrekvensen (rad/s), hvor \( f_0 \ ) er den lineære frekvensen (1/s eller Hz), I er treghetsmomentet til området rundt interesseaksen \((\text {m}^{4})\) og \(m'=\ rho _0 A \) er massen på lengdeenhet (kg/m), der \(\rho _0\) er tettheten \((\tekst {kg/m}^{3})\) og A er krysset -seksjonsareal av strålen (xy-plan) (\ (\text {m}^{2}\)).Siden den påførte kraften i vårt tilfelle er parallell med den vertikale y-aksen, dvs. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), er vi kun interessert i treghetsmomentet til området rundt den horisontale x- akse, dvs. \(I_{xx} \), Det er derfor:
For den endelige elementmodellen (FEM) antas en ren harmonisk forskyvning (m), slik at akselerasjonen (\(\tekst {m/s}^{2}\)) uttrykkes som \(\partial ^2 \vec { u}/ \ delvis t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), f.eks. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) er en tredimensjonal forskyvningsvektor definert i romlige koordinater.Å erstatte sistnevnte med den endelig deformerbare lagrangiske formen av momentumbalanseloven23, i henhold til implementeringen i COMSOL Multiphysics-programvarepakken (versjoner 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), gir:
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 andre Piola-Kirchhoff-spenningstensoren (andre 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 til kroppskraften (\(\text {N/m}^{3}\)) for hvert deformerbart volum, og \(e^{j\phi }\) er fasen til kroppskraft, har en fasevinkel \(\ phi\) (rad).I vårt tilfelle er volumkraften til kroppen null, og vår modell antar geometrisk linearitet og små rent elastiske deformasjoner, dvs. \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), hvor \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) og \({\underline{ \varepsilon}}\) – henholdsvis elastisk deformasjon og total deformasjon (dimensjonsløs av andre orden).Hookes konstitutive isotropiske elastisitetstensor \(\underline {\underline {C))\) oppnås ved å bruke Youngs modul E(\(\text{N/m}^{2}\)) og Poissons forhold v er definert, slik at \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (fjerde orden).Så spenningsberegningen blir \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Beregningene ble utført med 10-node tetraedriske elementer med elementstørrelse \(\le\) 8 µm.Nålen er modellert i vakuum, og den mekaniske mobilitetsoverføringsverdien (ms-1 H-1) er definert som \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, der \(\tilde{v}_y\vec {j}\) er utgangskomplekshastigheten til håndstykket, og \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) er en kompleks drivkraft lokalisert ved den proksimale enden av røret, som vist i fig. 2b.Transmissiv mekanisk mobilitet uttrykkes i desibel (dB) med maksimalverdien som referanse, dvs. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Alle FEM-studier ble utført med en frekvens på 29,75 kHz.
Utformingen av nålen (fig. 3) består av en konvensjonell 21 gauge hypodermisk nål (katalognummer: 4665643, Sterican\(^\circledR\), med en ytre diameter på 0,8 mm, en lengde på 120 mm, laget av AISI krom-nikkel rustfritt stål 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Tyskland) plassert en plast Luer Lock-hylse laget av polypropylen proksimalt med en tilsvarende spissmodifikasjon.Nålrøret er loddet til bølgelederen som vist i fig. 3b.Bølgelederen ble skrevet ut på en 3D-skriver i rustfritt stål (EOS Stainless Steel 316L på en EOS M 290 3D-skriver, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) og deretter festet til Langevin-sensoren ved hjelp av M4-bolter.Langevin-transduseren består av 8 piezoelektriske ringelementer med to vekter i hver ende.
De fire typene spisser (bildet), en kommersielt tilgjengelig lansett (L) og tre produserte aksesymmetriske ett-trinns faser (AX1–3) ble karakterisert av skrålengder (BL) på henholdsvis 4, 1,2 og 0,5 mm.(a) Nærbilde av den ferdige nålespissen.(b) Sett ovenfra av fire pinner loddet til en 3D-trykt bølgeleder og deretter koblet til Langevin-sensoren med M4-bolter.
Tre aksesymmetriske skråspisser (fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) ble produsert med skrålengder (BL, bestemt i fig. 2a) på 4,0, 1,2 og 0,5 mm, tilsvarende \(\ca\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) og 18\(^\circ\).Bølgelederen og pennens vekt er 3,4 ± 0,017 g (gjennomsnitt ± SD, n = 4) for henholdsvis skrå L og AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Tyskland) .Den totale lengden fra spissen av nålen til enden av plasthylsen er 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm for henholdsvis skråkanten L og AX1-3 i figur 3b.
For alle nålekonfigurasjoner er lengden fra tuppen av nålen til tuppen av bølgelederen (dvs. loddeområdet) 4,3 cm, og nålerøret er orientert slik at skråkanten vender opp (dvs. parallelt med Y-aksen) ).), som i (fig. 2).
Et tilpasset skript i MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) som kjører på en datamaskin (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) ble brukt til å generere et lineært sinusformet sveip fra 25 til 35 kHz på 7 sekunder, konvertert til et analogt signal av en digital-til-analog (DA)-omformer (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Det analoge signalet \(V_0\) (0,5 Vp-p) ble deretter forsterket med en dedikert radiofrekvens (RF) forsterker (Mariachi Oy, Turku, Finland).Den fallende forsterkerspenningen \({V_I}\) sendes ut fra RF-forsterkeren med en utgangsimpedans på 50 \(\Omega\) til en transformator innebygd i nålestrukturen med en inngangsimpedans på 50 \(\Omega)\) Langevin-svinger (fremre og bakre flerlags piezoelektriske transdusere, lastet med masse) brukes til å generere mekaniske bølger.Den tilpassede RF-forsterkeren er utstyrt med en dual-channel standing wave power factor (SWR) meter som kan oppdage innfallende \({V_I}\) og reflektert forsterket spenning \(V_R\) gjennom en 300 kHz analog-til-digital (AD) ) omformer (Analog Discovery 2).Eksitasjonssignalet er amplitudemodulert i begynnelsen og på slutten for å forhindre overbelastning av forsterkerinngangen med transienter.
Ved å bruke et tilpasset skript implementert i MATLAB, antar frekvensresponsfunksjonen (AFC), dvs. et lineært stasjonært system.Bruk også et 20 til 40 kHz båndpassfilter for å fjerne eventuelle uønskede frekvenser fra signalet.Med henvisning til overføringslinjeteori, er \(\tilde{H}(f)\) i dette tilfellet ekvivalent med spenningsrefleksjonskoeffisienten, dvs. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Siden utgangsimpedansen til forsterkeren \(Z_0\) tilsvarer inngangsimpedansen til den innebygde transformatoren til omformeren, og den elektriske effektrefleksjonskoeffisienten \({P_R}/{P_I}\) reduseres til \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) er lik \ (|\rho _{V}|^2\).I tilfellet der absoluttverdien av elektrisk effekt er nødvendig, beregner du den innkommende \(P_I\) og reflekterte\(P_R\) effekt (W) ved å ta rotmiddelverdien (rms) av den tilsvarende spenningen, for eksempel, for en overføringslinje med sinusformet eksitasjon, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, hvor \(Z_0\) er lik 50 \(\Omega\).Den elektriske effekten som leveres til lasten \(P_T\) (dvs. det innsatte mediet) kan beregnes som \(|P_I – P_R |\) (W RMS) og kraftoverføringseffektiviteten (PTE) kan defineres og uttrykkes som en prosent (%) gir dermed 27:
Frekvensresponsen brukes deretter til å estimere de modale frekvensene \(f_{1-3}\) (kHz) til pekepenndesignet og den tilsvarende kraftoverføringseffektiviteten, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) er estimert direkte fra \(\text {PTE}_{1{-}3}\), fra tabell 1 frekvenser \(f_{1-3}\) beskrevet i .
En metode for å måle frekvensresponsen (AFC) til en nålformet struktur.Tokanals sveipt sinusmåling25,38 brukes for å oppnå frekvensresponsfunksjonen \(\tilde{H}(f)\) og dens impulsrespons H(t).\({\mathcal {F}}\) og \({\mathcal {F}}^{-1}\) angir henholdsvis den numeriske avkortede Fourier-transformasjonen og den inverse transformasjonsoperasjonen.\(\tilde{G}(f)\) betyr at de to signalene multipliseres i frekvensdomenet, f.eks. \(\tilde{G}_{XrX}\) betyr invers skanning\(\tilde{X} r( f )\) og spenningsfallsignal \(\tilde{X}(f)\).
Som vist i fig.5, høyhastighetskamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) utstyrt med et makroobjektiv (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokyo, Japan) ble brukt til å registrere avbøyningen av en nålespiss utsatt for bøyningseksitasjon (enkeltfrekvens, kontinuerlig sinusformet) ved en frekvens på 27,5–30 kHz.For å lage et skyggekart ble et avkjølt element av en hvit LED med høy intensitet (delenummer: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Tyskland) plassert bak skråkanten på nålen.
Forfra av forsøksoppsettet.Dybden måles fra medieoverflaten.Nålestrukturen klemmes og monteres på et motorisert overføringsbord.Bruk et høyhastighetskamera med et objektiv med høy forstørrelse (5\(\ ganger\)) for å måle avbøyningen av den skrå spissen.Alle dimensjoner er i millimeter.
For hver type nåleavfasning tok vi opp 300 høyhastighetskamerarammer på 128 \(\x\) 128 piksler, hver med en romlig oppløsning på 1/180 mm (\(\ca) 5 µm), med en tidsmessig oppløsning på 310 000 bilder per sekund.Som vist i figur 6, blir hver ramme (1) beskåret (2) slik at spissen er i den siste linjen (nederst) av rammen, og deretter beregnes histogrammet til bildet (3), så Canny-terskler 1 og 2 kan bestemmes.Bruk deretter Canny28(4) kantdeteksjon ved å bruke Sobel-operatoren 3 \(\times\) 3 og beregn pikselposisjonen til den ikke-kavitasjonshypotenusen (merket \(\mathbf {\times }\)) for alle 300-ganger trinn .For å bestemme spennvidden til avbøyningen på slutten, beregnes den deriverte (ved å bruke den sentrale differansealgoritmen) (6) og rammen som inneholder de lokale ekstrema (dvs. toppen) av avbøyningen (7) identifiseres.Etter visuelt inspeksjon av den ikke-kaviterende kanten, ble et par rammer (eller to rammer adskilt med en halv tidsperiode) (7) valgt og spissavbøyningen målt (merket \(\mathbf {\times} \ ) Ovennevnte ble implementert i Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) ved hjelp av OpenCV Canny edge-deteksjonsalgoritmen (v4.5.1, åpen kildekode datasynsbibliotek, opencv.org) (P_T \) (W, rms) .
Spissavbøyning ble målt ved hjelp av en serie bilder tatt fra et høyhastighetskamera ved 310 kHz ved bruk av en 7-trinns algoritme (1-7) inkludert framing (1-2), Canny edge-deteksjon (3-4), pikselplasseringskant beregning (5) og deres tidsderivater (6), og til slutt topp-til-topp spissavbøyning ble målt på visuelt inspiserte par av rammer (7).
Målinger ble tatt i luft (22,4-22,9°C), avionisert vann (20,8-21,5°C) og ballistisk gelatin 10 % (w/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Bovine and Pork Bone Gelatin for Type I Ballistic Analysis, Honeywell International, North Carolina, USA).Temperaturen ble målt med en K-type termoelementforsterker (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 ble dybden målt fra overflaten (sett som origo for z-aksen) ved bruk av et vertikalt motorisert z-akse trinn (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litauen) med en oppløsning på 5 µm.per trinn.
Siden prøvestørrelsen var liten (n = 5) og normalitet ikke kunne antas, ble en to-utvalgs to-halet Wilcoxon rangsumtest (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) brukt. for å sammenligne mengden varians nålespiss for forskjellige faser.Det var 3 sammenligninger per stigning, så det ble brukt en Bonferroni-korreksjon med et justert signifikansnivå på 0,017 og en feilrate på 5 %.
La oss nå gå til Fig.7.Ved en frekvens på 29,75 kHz er bøyningshalvbølgen (\(\lambda_y/2\)) til en 21-gauge nål \(\omtrent) 8 mm.Når man nærmer seg spissen, avtar bøyningsbølgelengden langs den skrå vinkelen.På spissen \(\lambda _y/2\) \(\ca.\) er det trinn på 3, 1 og 7 mm for den vanlige lansettformede (a), asymmetriske (b) og aksesymmetriske (c) helningen til en enkelt nål , henholdsvis.Dermed betyr dette at rekkevidden til lansetten er \(\ca.) 5 mm (på grunn av det faktum at de to planene til lansetten danner et enkelt punkt29,30), den asymmetriske avfasningen er 7 mm, den asymmetriske avfasningen er 1 mm.Aksysymmetriske skråninger (tyngdepunktet forblir konstant, så det er kun rørets veggtykkelse som faktisk endres langs skråningen).
FEM-studier og anvendelse av ligninger ved en frekvens på 29,75 kHz.(1) Ved beregning av variasjonen av bøyningshalvbølgen (\(\lambda_y/2\)) for lansett (a), asymmetriske (b) og aksesymmetriske (c) skrågeometrier (som i fig. 1a,b,c ).Gjennomsnittsverdien \(\lambda_y/2\) for lansetten, asymmetriske og aksesymmetriske avfasninger var henholdsvis 5,65, 5,17 og 7,52 mm.Merk at spisstykkelse for asymmetriske og aksesymmetriske avfasninger er begrenset til \(\ca) 50 µm.
Toppmobilitet \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) er den optimale kombinasjonen av rørlengde (TL) og skrålengde (BL) (fig. 8, 9).For en konvensjonell lansett, siden størrelsen er fast, er den optimale TL \(\omtrent) 29,1 mm (fig. 8).For asymmetriske og aksesymmetriske avfasninger (henholdsvis fig. 9a, b) inkluderte FEM-studier BL fra 1 til 7 mm, så den optimale TL var fra 26,9 til 28,7 mm (område 1,8 mm) og fra 27,9 til 29,2 mm (område 1,3 mm).For den asymmetriske helningen (fig. 9a) økte den optimale TL lineært, nådde et platå ved BL 4 mm, og sank deretter kraftig fra BL 5 til 7 mm.For en aksesymmetrisk avfasning (fig. 9b) økte den optimale TL lineært med økende BL og stabiliserte seg til slutt ved BL fra 6 til 7 mm.En utvidet studie av aksesymmetrisk tilt (fig. 9c) avslørte et annet sett med optimale TL-er ved \(\approx) 35,1–37,1 mm.For alle BL-er er avstanden mellom de to beste TL-ene \(\ca\) 8 mm (tilsvarer \(\lambda_y/2\)).
Lancetoverføringsmobilitet ved 29,75 kHz.Nålen ble fleksibelt eksitert ved en frekvens på 29,75 kHz og vibrasjon ble målt på spissen av nålen og uttrykt som mengden overført mekanisk mobilitet (dB i forhold til maksimalverdien) for TL 26,5-29,5 mm (i 0,1 mm trinn) .
Parametriske studier av FEM ved en frekvens på 29,75 kHz viser at overføringsmobiliteten til en aksesymmetrisk spiss er mindre påvirket av en endring i lengden på røret enn dets asymmetriske motstykke.Faslengde (BL) og rørlengde (TL) studier av asymmetriske (a) og aksesymmetriske (b, c) fasingsgeometrier i frekvensdomenestudien ved bruk av FEM (grensebetingelser er vist i fig. 2).(a, b) TL varierte fra 26,5 til 29,5 mm (0,1 mm trinn) og BL 1–7 mm (0,5 mm trinn).(c) Utvidede aksesymmetriske tiltstudier inkludert TL 25–40 mm (i 0,05 mm intervaller) og BL 0,1–7 mm (i 0,1 mm intervaller) som viser at \(\lambda_y/2\ ) må oppfylle kravene til spissen.bevegelige grenseforhold.
Nålekonfigurasjonen har tre egenfrekvenser \(f_{1-3}\) delt inn i lav-, middels- og høymodusregioner som vist i tabell 1. PTE-størrelsen ble registrert som vist i fig.10 og deretter analysert i fig. 11. Nedenfor er funnene for hvert modalt område:
Typiske registrerte amplituder for øyeblikkelig kraftoverføringseffektivitet (PTE) oppnådd med sinusformet eksitasjon med feid frekvens for en lansett (L) og aksesymmetrisk avfasning AX1-3 i luft, vann og gelatin i en dybde på 20 mm.Ensidige spektre er vist.Den målte frekvensresponsen (samplet ved 300 kHz) ble lavpassfiltrert og deretter nedskalert med en faktor 200 for modal analyse.Signal-til-støy-forholdet er \(\le\) 45 dB.PTE-faser (lilla stiplede linjer) vises i grader (\(^{\circ}\)).
Den modale responsanalysen (gjennomsnitt ± standardavvik, n = 5) vist i fig. 10, for skråninger L og AX1-3, i luft, vann og 10 % gelatin (dybde 20 mm), med (øverst) tre modale regioner ( lav, middels og høy) og deres tilsvarende modale frekvenser\(f_{1-3 }\) (kHz), (gjennomsnittlig) energieffektivitet \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Beregnet ved bruk av ekvivalenter .(4) og (nederst) full bredde ved henholdsvis halve maksimale mål \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Merk at båndbreddemålingen ble hoppet over når en lav PTE ble registrert, dvs. \(\text {FWHM}_{1}\) i tilfelle AX2-helling.\(f_2\)-modusen ble funnet å være best egnet for å sammenligne skråningsavbøyninger, siden den viste det høyeste nivået av kraftoverføringseffektivitet (\(\text {PTE}_{2}\)), opptil 99 %.
Første modale område: \(f_1\) avhenger ikke mye av typen medium som er satt inn, men avhenger av skråningens geometri.\(f_1\) avtar med avtagende skrålengde (henholdsvis 27,1, 26,2 og 25,9 kHz i luft for AX1-3).De regionale gjennomsnittene \(\text {PTE}_{1}\) og \(\text {FWHM}_{1}\) er henholdsvis \(\approx\) 81 % og 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) har det høyeste gelatininnholdet i lansetten (L, 473 Hz).Merk at \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 i gelatin ikke kunne evalueres på grunn av den lave registrerte FRF-amplituden.
Den andre modale regionen: \(f_2\) avhenger av typen media som er satt inn og avfasingen.Gjennomsnittsverdier \(f_2\) er 29,1, 27,9 og 28,5 kHz i henholdsvis luft, vann og gelatin.Denne modale regionen viste også en høy PTE på 99 %, den høyeste av alle målte grupper, med et regionalt gjennomsnitt på 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) har et regionalt gjennomsnitt på \(\ca.\) 910 Hz.
Tredje modusregion: frekvens \(f_3\) avhenger av medietypen og avfasningen.Gjennomsnittlige \(f_3\) verdier er 32,0, 31,0 og 31,3 kHz i henholdsvis luft, vann og gelatin.Regiongjennomsnittet for \(\text {PTE}_{3}\) var \(\ca.\) 74 %, det laveste av noen region.Det regionale gjennomsnittet \(\text {FWHM}_{3}\) er \(\omtrent\) 1085 Hz, som er høyere enn det første og andre området.
       Det følgende viser til fig.12 og tabell 2. Lansetten (L) bøyde seg mest ut (med høy signifikans for alle spisser, \(p<\) 0,017) i både luft og vann (fig. 12a), og oppnådde høyeste DPR (opptil 220 µm/ W i luft). 12 og tabell 2. Lansetten (L) bøyde seg mest ut (med høy signifikans for alle spisser, \(p<\) 0,017) i både luft og vann (fig. 12a), og oppnådde høyeste DPR (opptil 220 µm/ W i luft). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего для высокице ов, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Følgende gjelder for figur 12 og tabell 2. Lancet (L) avbøyde seg mest (med høy signifikans for alle tips, \(p<\) 0,017) i både luft og vann (fig. 12a), og oppnådde høyeste DPR.(gjør 220 μm/W i luft).Smt.Figur 12 og Tabell 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性，\(p<\) 0.017，柳叶刀高DPR （在空气中高达220 µm/W）.柳叶刀(L) har den høyeste avbøyningen i luft og vann (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), og oppnådde den høyeste DPR (opptil 220/W i µm) luft). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) i возидух, 2017 ибольшего DPR (til 220 мкм/Вт в воздухе). Lansett (L) avbøyde mest (høy signifikans for alle spisser, \(p<\) 0,017) i luft og vann (fig. 12a), og nådde høyeste DPR (opptil 220 µm/W i luft). I luft avbøyde AX1 som hadde høyere BL, høyere enn AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), mens AX3 (som hadde laveste BL) avbøyde mer enn AX2 med en DPR på 190 µm/W. I luft avbøyde AX1 som hadde høyere BL, høyere enn AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), mens AX3 (som hadde laveste BL) avbøyde mer enn 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), мскаы кон онялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft avbøyde AX1 med høyere BL høyere enn AX2–3 (med signifikans \(p<\) 0,017), mens AX3 (med laveste BL) avbøyde mer enn 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，\(p<\) 0,017．AX，轈值AX，轈具），转偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W . I luft er nedbøyningen av AX1 med høyere BL høyere enn for AX2-3 (signifikant \(p<\) 0,017), og nedbøyningen av AX3 (med lavest BL) er større enn for AX2, DPR er 190 µm/W . В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда косак мокан (мсимо кон тся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft avbøyer AX1 med høyere BL mer enn AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), mens AX3 (med laveste BL) avbøyer mer enn AX2 med DPR 190 µm/W.Ved 20 mm vann var nedbøyningen og PTE AX1–3 ikke signifikant forskjellig (\(p>\) 0,017).Nivåene av PTE i vann (90,2–98,4 %) var generelt høyere enn i luft (56–77,5 %) (fig. 12c), og fenomenet kavitasjon ble notert under forsøket i vann (fig. 13, se også tillegg). informasjon).
Mengden av spissavbøyning (gjennomsnitt ± SD, n = 5) målt for fas L og AX1-3 i luft og vann (dybde 20 mm) viser effekten av å endre skrågeometri.Målingene ble oppnådd ved bruk av kontinuerlig sinusformet eksitasjon med enkelt frekvens.(a) Topp til toppavvik (\(u_y\vec {j}\)) ved spissen, målt ved (b) deres respektive modale frekvenser \(f_2\).(c) Effektoverføringseffektivitet (PTE, RMS, %) av ligningen.(4) og (d) Avbøyningseffektfaktor (DPR, µm/W) beregnet som avvik topp-til-topp og overført elektrisk effekt \(P_T\) (Wrms).
Et typisk skyggeplott for høyhastighetskamera som viser topp-til-topp-avviket (grønne og røde stiplede linjer) til en lansett (L) og aksesymmetrisk spiss (AX1–3) i vann (20 mm dybde) over en halv syklus.syklus, ved eksitasjonsfrekvens \(f_2\) (samplingsfrekvens 310 kHz).Det fangede gråtonebildet har en størrelse på 128×128 piksler og en pikselstørrelse på \(\approx\) 5 µm.Video finner du i tilleggsinformasjon.
Dermed modellerte vi endringen i bøyningsbølgelengden (fig. 7) og beregnet den overførbare mekaniske mobiliteten for kombinasjoner av rørlengde og avfasning (fig. 8, 9) for konvensjonelle lansett-, asymmetriske og aksesymmetriske faser med geometriske former.Basert på sistnevnte estimerte vi den optimale avstanden på 43 mm (eller \(\omtrent) 2,75\(\lambda _y\) ved 29,75 kHz) fra tuppen til sveisen, som vist i fig. 5, og gjorde tre aksesymmetriske faser med forskjellige faslengder.Vi karakteriserte deretter frekvensoppførselen deres i luft, vann og 10 % (vekt/volum) ballistisk gelatin sammenlignet med konvensjonelle lansetter (figur 10, 11) og bestemte modusen som var best egnet for sammenligning av skråavbøyning.Til slutt målte vi spissavbøyning ved å bøye bølge i luft og vann i en dybde på 20 mm og kvantifiserte kraftoverføringseffektiviteten (PTE, %) og avbøyningseffektfaktoren (DPR, µm/W) til innføringsmediet for hver avfasning.vinkeltype (fig. 12).
Nålefasgeometri har vist seg å påvirke mengden av nålespissavbøyning.Lansetten oppnådde den høyeste avbøyningen og den høyeste DPR sammenlignet med den aksesymmetriske avfasningen med lavere gjennomsnittlig avbøyning (fig. 12).Den 4 mm aksesymmetriske avfasningen (AX1) med den lengste fasingen oppnådde en statistisk signifikant maksimal nedbøyning i luft sammenlignet med de andre aksesymmetriske nålene (AX2–3) (\(p < 0,017\), tabell 2), men det var ingen signifikant forskjell. .observert når nålen er plassert i vann.Dermed er det ingen åpenbar fordel med å ha en lengre skrålengde når det gjelder toppavbøyning i spissen.Med dette i bakhodet, viser det seg at geometrien til avfasningen som er studert i denne studien har større innflytelse på mengden av avbøyning enn lengden på skråkanten.Dette kan skyldes bøyestivhet, for eksempel avhengig av den totale tykkelsen på materialet som bøyes og utformingen av nålen.
I eksperimentelle studier påvirkes størrelsen på den reflekterte bøyebølgen av grenseforholdene til spissen.Når nålespissen settes inn i vann og gelatin, er \(\text {PTE}_{2}\) \(\ca.\) 95 %, og \(\text {PTE}_{ 2}\) er \ (\text {PTE}_{ 2}\) verdiene er 73 % og 77 % for (\text {PTE}_{1}\) og \(\text {PTE}_{3}\), henholdsvis (fig. 11).Dette indikerer at maksimal overføring av akustisk energi til støpemediet, dvs. vann eller gelatin, skjer ved \(f_2\).Lignende oppførsel ble observert i en tidligere studie31 ved bruk av en enklere enhetskonfigurasjon i 41-43 kHz frekvensområdet, der forfatterne viste avhengigheten av spenningsrefleksjonskoeffisienten på den mekaniske modulen til det innebygde mediet.Penetrasjonsdybden32 og de mekaniske egenskapene til vevet gir en mekanisk belastning på nålen og forventes derfor å påvirke resonansoppførselen til UZEFNAB.Dermed kan resonanssporingsalgoritmer (f.eks. 17, 18, 33) brukes for å optimalisere den akustiske kraften som leveres gjennom nålen.
Simulering ved bøyningsbølgelengder (fig. 7) viser at den aksesymmetriske spissen er strukturelt mer stiv (dvs. mer stiv i bøyningen) enn lansetten og den asymmetriske skråkanten.Basert på (1) og ved bruk av den kjente hastighet-frekvens-relasjonen, estimerer vi bøyestivheten på spissen av nålen til \(\omtrent\) 200, 20 og 1500 MPa for henholdsvis lansett-, asymmetriske og aksiale skråplan.Dette tilsvarer \(\lambda_y\) på henholdsvis \(\ca.\) 5,3, 1,7 og 14,2 mm ved 29,75 kHz (fig. 7a–c).Med tanke på klinisk sikkerhet under USeFNAB, bør effekten av geometri på den strukturelle stivheten til det skråplanet vurderes34.
En studie av avfasningsparametrene i forhold til rørlengden (fig. 9) viste at det optimale overføringsområdet var høyere for den asymmetriske avfasningen (1,8 mm) enn for den aksesymmetriske avfasningen (1,3 mm).I tillegg er mobiliteten stabil ved \(\ca.) fra 4 til 4,5 mm og fra 6 til 7 mm for henholdsvis asymmetriske og aksesymmetriske tilt (fig. 9a, b).Den praktiske betydningen av denne oppdagelsen kommer til uttrykk i produksjonstoleranser, for eksempel kan et lavere område for optimal TL bety at det kreves større lengdenøyaktighet.Samtidig gir mobilitetsplatået en større toleranse for valg av lengde på dykket ved en gitt frekvens uten vesentlig innvirkning på mobiliteten.
Studien inkluderer følgende begrensninger.Direkte måling av nåleavbøyning ved bruk av kantdeteksjon og høyhastighetsavbildning (Figur 12) betyr at vi er begrenset til optisk transparente medier som luft og vann.Vi vil også påpeke at vi ikke brukte eksperimenter for å teste den simulerte overføringsmobiliteten og vice versa, men brukte FEM-studier for å bestemme optimal lengde for nålefabrikasjon.Med hensyn til praktiske begrensninger er lengden på lansetten fra tupp til hylse \(\ca.) 0,4 cm lengre enn andre nåler (AX1-3), se fig.3b.Dette kan påvirke den modale responsen til nåledesignet.I tillegg kan formen og volumet til loddetinn på enden av en bølgelederstift (se figur 3) påvirke den mekaniske impedansen til stiftdesignet, og introdusere feil i den mekaniske impedansen og bøyeoppførselen.
Til slutt har vi demonstrert at den eksperimentelle skrågeometrien påvirker mengden av avbøyning i USeFNAB.Hvis en større nedbøyning ville ha en positiv effekt på effekten av nålen på vev, som for eksempel kutteeffektivitet etter piercing, kan en konvensjonell lansett anbefales i USeFNAB da den gir maksimal avbøyning samtidig som den opprettholder tilstrekkelig stivhet av strukturspissen..Dessuten har en fersk studie35 vist at større spissavbøyning kan forsterke biologiske effekter som kavitasjon, noe som kan lette utviklingen av minimalt invasive kirurgiske applikasjoner.Gitt at økende total akustisk kraft har vist seg å øke antall biopsier i USeFNAB13, er ytterligere kvantitative studier av prøvekvantitet og kvalitet nødvendig for å vurdere de detaljerte kliniske fordelene med den studerte nålgeometrien.