Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Слайдеры, показывающие по три статьи на слайде.Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перемещения по слайдам или кнопки контроллера слайдов в конце для перемещения по каждому слайду.
Недавно было продемонстрировано, что использование ультразвука может улучшить выход ткани при тонкоигольной аспирационной биопсии с ультразвуковым усилением (USEFNAB) по сравнению с традиционной тонкоигольной аспирационной биопсией (FNAB).Взаимосвязь между геометрией скоса и действием кончика иглы еще не исследована.В этом исследовании мы исследовали свойства резонанса иглы и амплитуды отклонения для различной геометрии скоса иглы с разной длиной скоса.При использовании обычного ланцета с срезом 3,9 мм коэффициент мощности отклонения кончика (DPR) составил 220 и 105 мкм/Вт на воздухе и в воде соответственно.Это выше, чем у осесимметричного наконечника со скошенной кромкой 4 мм, который достиг DPR 180 и 80 мкм/Вт в воздухе и воде соответственно.Это исследование подчеркивает важность взаимосвязи между жесткостью на изгиб геометрии скоса в контексте различных вспомогательных средств для введения и, таким образом, может дать представление о методах управления режущим действием после прокола путем изменения геометрии скоса иглы, что важно для USeFNAB.Применение имеет значение.
Тонкоигольная аспирационная биопсия (ТНАБ) – это метод, при котором игла используется для получения образца ткани при подозрении на патологию1,2,3.Было показано, что насадки типа Франсина обеспечивают более высокую диагностическую эффективность, чем традиционные насадки Lancet4 и Menghini5.Также были предложены осесимметричные (т.е. окружные) фаски для увеличения вероятности получения адекватного образца для гистопатологии6.
Во время биопсии игла проводится через слои кожи и тканей, чтобы выявить подозрительную патологию.Недавние исследования показали, что ультразвуковая активация может уменьшить силу прокола, необходимую для доступа к мягким тканям7,8,9,10.Было показано, что геометрия скоса иглы влияет на силы взаимодействия иглы, например, было показано, что более длинные скосы имеют меньшие силы проникновения в ткань 11 .Было высказано предположение, что после того, как игла проникла в поверхность ткани, т.е. после прокола, режущая сила иглы может составлять 75% от общей силы взаимодействия иглы с тканью12.Было показано, что ультразвук (УЗИ) улучшает качество диагностической биопсии мягких тканей на постпункционном этапе13.Другие методы улучшения качества костной биопсии были разработаны для отбора проб твердых тканей14,15, но не сообщалось о результатах, улучшающих качество биопсии.Несколько исследований также показали, что механическое смещение увеличивается с увеличением напряжения ультразвукового возбуждения16,17,18.Хотя существует множество исследований осевых (продольных) статических сил при взаимодействии иглы с тканью19,20, исследования временной динамики и геометрии скоса иглы при ультразвуковой FNAB (USeFNAB) ограничены.
Целью данного исследования было изучение влияния различной геометрии скоса на действие кончика иглы, вызванное сгибанием иглы на ультразвуковых частотах.В частности, мы исследовали влияние инъекционной среды на отклонение кончика иглы после прокола для игл с обычными скосами (например, ланцетов), осесимметричной и асимметричной геометрией с одним скосом (рис. для облегчения разработки игл USeFNAB для различных целей, таких как селективное отсасывание). доступ или ядра мягких тканей.
В это исследование были включены различные геометрии фасок.(a) Ланцеты, соответствующие стандарту ISO 7864:201636, где \(\alpha\) — угол первичного скоса, \(\theta\) — угол поворота вторичного скоса, а \(\phi\) — угол поворота вторичного скоса в градусов, в градусах (\(^\circ\)).(b) линейные асимметричные одноступенчатые фаски (называемые «стандартными» в DIN 13097:201937) и (c) линейные осесимметричные (по окружности) одноступенчатые фаски.
Наш подход заключается в том, чтобы сначала смоделировать изменение длины волны изгиба вдоль склона для традиционной стрельчатой, осесимметричной и асимметричной одноступенчатой ​​геометрии склона.Затем мы рассчитали параметрическое исследование, чтобы изучить влияние угла скоса и длины трубки на подвижность транспортного механизма.Это делается для определения оптимальной длины для изготовления прототипа иглы.На основе моделирования были изготовлены прототипы игл и экспериментально охарактеризовано их резонансное поведение в воздухе, воде и 10% (мас./об.) баллистическом желатине путем измерения коэффициента отражения напряжения и расчета эффективности передачи мощности, из которого определялась рабочая частота. определенный..Наконец, высокоскоростная визуализация используется для непосредственного измерения отклонения изгибной волны на кончике иглы в воздухе и воде, а также для оценки электрической мощности, передаваемой при каждом наклоне, и геометрии коэффициента мощности отклонения (DPR) вводимой иглы. середина.
Как показано на рисунке 2a, используйте трубу № 21 (наружный диаметр 0,80 мм, внутренний диаметр 0,49 мм, толщина стенки трубы 0,155 мм, стандартная стенка, как указано в ISO 9626:201621), изготовленную из нержавеющей стали 316 (модуль Юнга 205).\(\text {GN/m}^{2}\), плотность 8070 кг/м\(^{3}\, коэффициент Пуассона 0,275).
Определение изгибной длины волны и настройка конечно-элементной модели (МКЭ) иглы и граничных условий.(а) Определение длины фаски (BL) и длины трубы (TL).(б) Трехмерная (3D) модель методом конечных элементов (МКЭ) с использованием гармонической точечной силы \(\tilde{F}_y\vec{j}\) для возбуждения иглы на проксимальном конце, отклонения точки и измерения скорости. на наконечник (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) для расчета механистической транспортной подвижности.\(\lambda _y\) определяется как длина волны изгиба, связанная с вертикальной силой \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Определите центр тяжести, площадь поперечного сечения A и моменты инерции \(I_{xx}\) и \(I_{yy}\) вокруг осей x и y соответственно.
Как показано на рис.2б,в, для бесконечного (бесконечного) луча с площадью поперечного сечения А и при большой длине волны по сравнению с размером сечения луча изгибная (или изгибная) фазовая скорость \(c_{EI}\ ) определяется как 22:
где E — модуль Юнга (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) — угловая частота возбуждения (рад/с), где \( f_0 \ ) — линейная частота (1/с или Гц), I — момент инерции области вокруг интересующей оси \((\text {m}^{4})\) и \(m'=\ rho _0 A \) — масса на единицу длины (кг/м), где \(\rho _0\) — плотность \((\text {kg/m}^{3})\) и A — крест -площадь сечения балки (плоскость xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Поскольку в нашем случае приложенная сила параллельна вертикальной оси y, т.е. \(\tilde{F}_y\vec {j}\), нас интересует только момент инерции области вокруг горизонтальной оси x- оси, т.е. \(I_{xx} \), поэтому:
Для модели конечных элементов (МКЭ) предполагается чисто гармоническое смещение (м), поэтому ускорение (\(\text {m/s}^{2}\)) выражается как \(\partial ^2 \vec { u}/ \ частичное t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), например \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) — трехмерный вектор смещения, определенный в пространственных координатах.Замена последнего на конечно деформируемую лагранжеву форму закона баланса импульсов23 в соответствии с его реализацией в программном комплексе COMSOL Multiphysicals (версии 5.4-5.5, COMSOL Inc., Массачусетс, США) дает:
Где \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) — оператор тензорной дивергенции, а \({\underline{\sigma}}\) — второй тензор напряжений Пиолы-Кирхгофа (второй порядок, \(\ text { N /m}^{2}\)), и \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) — вектор объемной силы (\(\text {N/m}^{3}\)) каждого деформируемого объема, а \(e^{j\phi }\) — фаза объемная сила, имеет фазовый угол \(\фи\) (рад).В нашем случае объемная сила тела равна нулю, и наша модель предполагает геометрическую линейность и небольшие чисто упругие деформации, т.е. \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), где \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) и \({\underline{ \varepsilon}}\) – упругая деформация и полная деформация (безразмерная второго порядка) соответственно.Тензор конститутивной изотропной упругости Гука \(\underline {\underline {C))\) получается с использованием модуля Юнга E(\(\text{N/m}^{2}\)) и определяется коэффициент Пуассона v, так что \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (четвертый порядок).Таким образом, расчет напряжения принимает вид \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Расчеты проводились с 10-узловыми тетраэдрическими элементами с размером элемента \(\le\) 8 мкм.Игла моделируется в вакууме, а значение передачи механической подвижности (мс-1 H-1) определяется как \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, где \(\tilde{v}_y\vec {j}\) — выходная комплексная скорость наконечника, а \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) — комплексная движущая сила, расположенная на проксимальном конце трубки, как показано на рис. 2б.Передаточная механическая подвижность выражается в децибелах (дБ) с использованием максимального значения в качестве эталона, т.е. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ) , Все исследования методом МКЭ проводились на частоте 29,75 кГц.
Конструкция иглы (рис. 3) представляет собой обычную иглу для подкожных инъекций 21 калибра (каталожный номер: 4665643, Sterican\(^\circledR\), наружным диаметром 0,8 мм, длиной 120 мм, изготовленную из AISI. хромоникелевая нержавеющая сталь 304., B. Braun Melsungen AG, Мельсунген, Германия) проксимально установили пластиковую гильзу Люэра из полипропилена с соответствующей модификацией наконечника.Игольная трубка припаяна к волноводу, как показано на рис. 3б.Волновод был напечатан на 3D-принтере из нержавеющей стали (EOS Нержавеющая сталь 316L на 3D-принтере EOS M 290, 3D Formtech Oy, Ювяскюля, Финляндия), а затем прикреплен к датчику Ланжевена с помощью болтов М4.Датчик Ланжевена состоит из 8 пьезоэлектрических кольцевых элементов с двумя грузами на каждом конце.
Четыре типа насадок (на фото), серийный ланцет (L) и три выпускаемых осесимметричных одноступенчатых фаски (AX1–3) характеризовались длиной скоса (BL) 4, 1,2 и 0,5 мм соответственно.(а) Крупный план готового кончика иглы.(б) Вид сверху на четыре контакта, припаянные к волноводу, напечатанному на 3D-принтере, а затем соединенные с датчиком Ланжевена болтами M4.
Три осесимметричных конических наконечника (рис. 3) (TAs Machine Tools Oy) были изготовлены с длиной фаски (BL, определенной на рис. 2а) 4,0, 1,2 и 0,5 мм, что соответствует \(\приблизительно\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) и 18\(^\circ\).Вес волновода и иглы составляет 3,4 ± 0,017 г (среднее ± SD, n = 4) для фасок L и AX1–3 соответственно (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Геттинген, Германия).Общая длина от кончика иглы до конца пластиковой втулки составляет 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 см для скоса L и AX1-3 на рисунке 3б соответственно.
Для всех конфигураций иглы длина от кончика иглы до кончика волновода (т. е. области пайки) составляет 4,3 см, а трубка иглы ориентирована так, чтобы скос был направлен вверх (т. е. параллельно оси Y). ).), как на (рис. 2).
Специальный сценарий в MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Массачусетс, США), запущенный на компьютере (Latitude 7490, Dell Inc., Техас, США), использовался для генерации линейной синусоидальной развертки от 25 до 35 кГц за 7 секунд. преобразуется в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового (DA) преобразователя (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Вашингтон, США).Аналоговый сигнал \(V_0\) (0,5 В (размах)) затем усиливался с помощью специального радиочастотного (РЧ) усилителя (Mariachi Oy, Турку, Финляндия).Падающее усиливающее напряжение \({V_I}\) выводится с усилителя ВЧ с выходным сопротивлением 50 \(\Омега\) на встроенный в игольчатую структуру трансформатор с входным сопротивлением 50 \(\Омега)\) Преобразователь Ланжевена (передний и задний многослойные пьезоэлектрические преобразователи, нагруженные массой) используются для генерации механических волн.Специальный РЧ-усилитель оснащен двухканальным измерителем коэффициента мощности стоячей волны (КСВ), который может обнаруживать падающее \({V_I}\) и отраженное усиленное напряжение \(V_R\) через аналого-цифровой преобразователь 300 кГц (AD). ) преобразователь (Аналоговый Дискавери 2).Сигнал возбуждения модулируется по амплитуде в начале и в конце, чтобы предотвратить перегрузку входа усилителя переходными процессами.
Используя специальный сценарий, реализованный в MATLAB, функция частотной характеристики (AFC), т.е. предполагает линейную стационарную систему.Кроме того, примените полосовой фильтр от 20 до 40 кГц, чтобы удалить из сигнала любые нежелательные частоты.Что касается теории линий передачи, \(\tilde{H}(f)\) в данном случае эквивалентно коэффициенту отражения напряжения, т.е. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Так как выходное сопротивление усилителя \(Z_0\) соответствует входному сопротивлению встроенного трансформатора преобразователя, а коэффициент отражения электрической мощности \({P_R}/{P_I}\) снижается до \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) равно \ (|\rho _{V}|^2\).В случае, когда требуется абсолютное значение электрической мощности, рассчитайте падающую \(P_I\) и отраженную \(P_R\) мощность (Вт), взяв среднеквадратичное (rms) значение соответствующего напряжения, например, для линии передачи с синусоидальным возбуждением \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, где \(Z_0\) равно 50 \(\Omega\).Электрическая мощность, подаваемая на нагрузку \(P_T\) (т. е. вставленную среду), может быть рассчитана как \(|P_I – P_R |\) (Вт RMS), а эффективность передачи мощности (PTE) может быть определена и выражена как процент (%), таким образом, дает 27:
Частотная характеристика затем используется для оценки модальных частот \(f_{1-3}\) (кГц) конструкции иглы и соответствующей эффективности передачи мощности, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Гц) оценивается непосредственно из \(\text {PTE}_{1{-}3}\), из таблицы 1 частоты \(f_{1-3}\), описанные в .
Метод измерения частотной характеристики (АЧХ) игольчатой ​​структуры.Двухканальное измерение качающегося синуса25,38 используется для получения функции частотной характеристики \(\tilde{H}(f)\) и ее импульсной характеристики H(t).\({\mathcal {F}}\) и \({\mathcal {F}}^{-1}\) обозначают числовое усеченное преобразование Фурье и операцию обратного преобразования соответственно.\(\tilde{G}(f)\) означает, что два сигнала умножаются в частотной области, например \(\tilde{G}_{XrX}\) означает обратное сканирование\(\tilde{X} r( f )\) и сигнал падения напряжения \(\tilde{X}(f)\).
Как показано на рис.5, высокоскоростная камера (Phantom V1612, Vision Research Inc., Нью-Джерси, США), оснащенная макрообъективом (MP-E 65 мм, \(f)/2,8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Токио, Япония) использовались для регистрации отклонения кончика иглы, подвергнутой изгибному возбуждению (одночастотному, непрерывной синусоиды) на частоте 27,5–30 кГц.Для создания карты теней за скосом иглы был помещен охлаждаемый элемент белого светодиода высокой интенсивности (номер детали: 4052899910881, White Led, 3000 К, 4150 лм, Osram Opto Semiconductors GmbH, Регенсбург, Германия).
Вид спереди на экспериментальную установку.Глубина измеряется от поверхности носителя.Игольная конструкция зажимается и устанавливается на моторизованном передаточном столе.Используйте высокоскоростную камеру с объективом с большим увеличением (5\(\times\)) для измерения отклонения скошенного кончика.Все размеры указаны в миллиметрах.
Для каждого типа скоса иглы было записано 300 кадров высокоскоростной камеры размером 128 \(\x\)128 пикселей, каждый с пространственным разрешением 1/180 мм (\(\приблизительно) 5 мкм), с временным разрешением. 310 000 кадров в секунду.Как показано на рисунке 6, каждый кадр (1) обрезается (2) так, чтобы кончик находился в последней строке (внизу) кадра, а затем вычисляется гистограмма изображения (3), поэтому пороги Кэнни 1 и 2 можно определить.Затем примените обнаружение края Canny28(4) с помощью оператора Собеля 3 \(\times\) 3 и вычислите положение пикселя некавитационной гипотенузы (обозначенной \(\mathbf {\times }\)) для всех 300-кратных шагов. .Для определения размаха прогиба на конце вычисляют производную (с использованием алгоритма центральной разности) (6) и идентифицируют кадр, содержащий локальные экстремумы (т.е. пик) прогиба (7).После визуального осмотра некавитирующей кромки выбиралась пара кадров (или два кадра, разделенных половиной периода времени) (7) и измерялось отклонение кончика (помечено \(\mathbf {\times} \ ). Вышеописанное было реализовано. в Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) с использованием алгоритма обнаружения границ OpenCV Canny (v4.5.1, библиотека компьютерного зрения с открытым исходным кодом, opencv.org) электрическая мощность \ (P_T \) (Вт, среднеквадратичное значение). .
Отклонение кончика измерялось с использованием серии кадров, снятых высокоскоростной камерой с частотой 310 кГц, с использованием 7-шагового алгоритма (1-7), включая кадрирование (1-2), обнаружение края Кэнни (3-4), определение края пикселя. расчет (5) и их производные по времени (6), а также, наконец, размах отклонения кончика измерялись на визуально проверенных парах кадров (7).
Измерения проводились на воздухе (22,4-22,9°C), деионизированной воде (20,8-21,5°C) и баллистическом желатине 10% (масса/объем) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text {TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Желатин из бычьих и свиных костей для баллистического анализа типа I, Honeywell International, Северная Каролина, США).Температуру измеряли с помощью усилителя термопары К-типа (AD595, Analog Devices Inc., Массачусетс, США) и термопары К-типа (Fluke 80PK-1 Bead Probe No. 3648 type-K, Fluke Corporation, Вашингтон, США).Из среды Глубину измеряли от поверхности (установленной как начало оси z) с использованием вертикального моторизованного столика по оси Z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Вильнюс, Литва) с разрешением 5 мкм.за шаг.
Поскольку размер выборки был небольшим (n = 5) и нельзя было предположить нормальность, использовался двухвыборочный двусторонний критерий суммы рангов Уилкоксона (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org). чтобы сравнить величину отклонения кончика иглы для разных фасок.На каждый наклон было проведено 3 сравнения, поэтому применялась поправка Бонферрони со скорректированным уровнем значимости 0,017 и частотой ошибок 5%.
Обратимся теперь к рис.7.На частоте 29,75 кГц изгибная полуволна (\(\lambda_y/2\)) иглы 21 калибра составляет \(\приблизительно) 8 мм.По мере приближения к острию длина волны изгиба уменьшается вдоль наклонного угла.На кончике \(\lambda _y/2\)\(\примерно\) имеются ступеньки 3, 1 и 7 мм для обычного ланцетного (а), асимметричного (б) и осесимметричного (в) наклона одиночной иглы. , соответственно.Таким образом, это означает, что радиус действия ланцета составляет \(\приблизительно) 5 мм (ввиду того, что две плоскости ланцета образуют одну точку29,30), несимметричный скос - 7 мм, несимметричный скос - 1 мм.Осесимметричные уклоны (центр тяжести остается постоянным, поэтому фактически меняется только толщина стенки трубы вдоль уклона).
Исследования методом МКЭ и применение уравнений на частоте 29,75 кГц.(1) При расчете изменения изгибной полуволны (\(\lambda_y/2\)) для стрельчатой ​​(а), несимметричной (б) и осесимметричной (в) геометрий фаски (как на рис. 1а,б,в) ) .Среднее значение \(\lambda_y/2\) стрельчатого, асимметричного и осесимметричного фасок составило 5,65, 5,17 и 7,52 мм соответственно.Обратите внимание, что толщина кончика для асимметричных и осесимметричных фасок ограничена \(\приблизительно) 50 мкм.
Пиковая подвижность \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) представляет собой оптимальное сочетание длины трубы (TL) и длины скоса (BL) (рис. 8, 9).Для обычного ланцета, поскольку его размер фиксирован, оптимальная TL составляет \(\приблизительно) 29,1 мм (рис. 8).Для несимметричных и осесимметричных фасок (рис. 9а, б соответственно) в исследованиях МКЭ учитывались БЛ от 1 до 7 мм, поэтому оптимальными ТЛ были от 26,9 до 28,7 мм (диапазон 1,8 мм) и от 27,9 до 29,2 мм (диапазон 1,3 мм) соответственно.Для асимметричного склона (рис. 9а) оптимальная TL возрастала линейно, выходила на плато при BL 4 мм, а затем резко снижалась от BL 5 до 7 мм.Для осесимметричного скоса (рис. 9б) оптимальная TL линейно увеличивалась с ростом BL и окончательно стабилизировалась на уровне BL от 6 до 7 мм.Расширенное исследование осесимметричного наклона (рис. 9в) выявило другой набор оптимальных TL при \(\approx) 35,1–37,1 мм.Для всех BL расстояние между двумя лучшими TL составляет \(\приблизительно\) 8 мм (эквивалентно \(\lambda_y/2\)).
Ланцетная подвижность передачи на частоте 29,75 кГц.Иглу гибко возбуждали на частоте 29,75 кГц и измеряли вибрацию на кончике иглы и выражали ее как величину передаваемой механической подвижности (дБ относительно максимального значения) для TL 26,5-29,5 мм (с шагом 0,1 мм). .
Параметрические исследования МКЭ на частоте 29,75 кГц показывают, что на передаточную подвижность осесимметричного наконечника меньше влияет изменение длины трубки, чем его асимметричного аналога.Исследование длины скоса (BL) и длины трубы (TL) асимметричной (a) и осесимметричной (b, c) геометрии скоса в частотной области с использованием метода FEM (граничные условия показаны на рис. 2).(а, б) TL составлял от 26,5 до 29,5 мм (шаг 0,1 мм), BL 1–7 мм (шаг 0,5 мм).(c) Расширенные исследования осесимметричного наклона, включая TL 25–40 мм (с шагом 0,05 мм) и BL 0,1–7 мм (с шагом 0,1 мм), показывающие, что \(\lambda_y/2\) должен соответствовать требованиям наконечника.движущиеся граничные условия.
Конфигурация иглы имеет три собственные частоты \(f_{1-3}\), разделенные на области низкой, средней и высокой моды, как показано в таблице 1. Размер PTE записывался, как показано на рис.10, а затем проанализированы на рис. 11. Ниже приведены результаты для каждой модальной области:
Типичные зарегистрированные амплитуды мгновенного КПД передачи мощности (PTE), полученные при синусоидальном возбуждении с качающейся частотой для ланцета (L) и осесимметричного скоса AX1-3 в воздухе, воде и желатине на глубине 20 мм.Показаны односторонние спектры.Измеренная частотная характеристика (отобранная на частоте 300 кГц) была подвергнута фильтрованию нижних частот, а затем уменьшена в 200 раз для модального анализа.Отношение сигнал/шум составляет \(\le\) 45 дБ.Фазы ПТЭ (фиолетовые пунктирные линии) показаны в градусах (\(^{\circ}\)).
Анализ модального ответа (среднее ± стандартное отклонение, n = 5), показанный на рис. 10, для наклонов L и AX1-3, в воздухе, воде и 10% желатина (глубина 20 мм), с (вверху) тремя модальными областями ( низкая, средняя и высокая) и соответствующие им модальные частоты\(f_{1-3 }\) (кГц), (средняя) энергоэффективность \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Рассчитано с использованием эквивалентов .(4) и (внизу) полная ширина при измерениях на половине максимума \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Гц) соответственно.Обратите внимание, что измерение полосы пропускания было пропущено, когда был зарегистрирован низкий PTE, т. е. \(\text {FWHM}_{1}\) в случае наклона AX2.Режим \(f_2\) оказался наиболее подходящим для сравнения наклонных отклонений, так как показал самый высокий уровень эффективности передачи мощности (\(\text {PTE}_{2}\)), до 99%.
Первая модальная область: \(f_1\) не сильно зависит от типа вставленной среды, но зависит от геометрии уклона.\(f_1\) уменьшается с уменьшением длины скоса (27,1, 26,2 и 25,9 кГц в воздухе для AX1-3 соответственно).Средние региональные значения \(\text {PTE}_{1}\) и \(\text {FWHM}_{1}\) составляют \(\приблизительно\) 81 % и 230 Гц соответственно.\(\text {FWHM}_{1}\) имеет самое высокое содержание желатина в журнале Lancet (L, 473 Гц).Обратите внимание, что \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 в желатине не удалось оценить из-за низкой зарегистрированной амплитуды FRF.
Вторая модальная область: \(f_2\) зависит от типа вставленного носителя и фаски.Средние значения \(f_2\) составляют 29,1, 27,9 и 28,5 кГц в воздухе, воде и желатине соответственно.Этот модальный регион также показал высокий PTE - 99%, самый высокий показатель среди всех измеренных групп, со средним региональным показателем 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) имеет среднюю региональную частоту \(\приблизительно\) 910 Гц.
Область третьего режима: частота \(f_3\) зависит от типа носителя и фаски.Средние значения \(f_3\) составляют 32,0, 31,0 и 31,3 кГц в воздухе, воде и желатине соответственно.Средний показатель по региону \(\text {PTE}_{3}\) составил \(\приблизительно\) 74 %, что является самым низким показателем среди всех регионов.Среднее значение по региону \(\text {FWHM}_{3}\) составляет \(\приблизительно\) 1085 Гц, что выше, чем в первом и втором регионах.
       Нижеследующее относится к рис.12 и табл. 2. Сильнее всего (с высокой значимостью для всех кончиков, \(p<\) 0,017) отклонялся ланцет (L) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/ W в воздухе). 12 и табл. 2. Сильнее всего (с высокой значимостью для всех кончиков, \(p<\) 0,017) отклонялся ланцет (L) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/ W в воздухе). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой открытостью для всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в атмосфере, так и в воде (рис. 12а), достигнув самого высокого уровня DPR. . Следующее применимо к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего (с высокой значимостью для всех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR.(до 220 мкм/Вт на воздухе).пгт.Рисунок 12 и таблица 2 ниже.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（图12a）,实现最高DPR (在空气中高达220 мкм/Вт).柳叶刀(L) имеет наибольшее отклонение в воздухе и воде (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) и достигает самого высокого DPR (до 220 мкм/Вт в воздух). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая оригинальность для всех наконечников, \(p<\) 0,017) в воздухе и воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Сильнее всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) ланцет (L) отклонялся в воздухе и воде (рис. 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт на воздухе). В воздухе AX1, который имел более высокий BL, отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (который имел самый низкий BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. В воздухе AX1, который имел более высокий BL, отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (который имел самый низкий BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со оригинальностью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. На воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт.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），而AX3（具有最佽BL）的偏转大于AX2, DPR 为190 мкм/Вт 。 На воздухе прогиб АХ1 с более высоким БЛ выше, чем у АХ2-3 (достоверно, \(p<\) 0,017), а прогиб АХ3 (с наименьшим БЛ) больше, чем у АХ2, DPR составляет 190 мкм/Вт. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняет больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда как AX3 (с самым низким BL) отклоняет больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт.При глубине 20 мм вод. прогиб и ПТЭ AX1–3 достоверно не различались (\(p>\) 0,017).Уровни ПТЭ в воде (90,2–98,4 %) в целом были выше, чем в воздухе (56–77,5 %) (рис. 12в), а в ходе эксперимента в воде отмечалось явление кавитации (рис. 13, см. также доп. информация).
Величина отклонения кончика (среднее ± SD, n = 5), измеренная для скосов L и AX1-3 в воздухе и воде (глубина 20 мм), показывает эффект изменения геометрии скоса.Измерения проводились с использованием непрерывного одночастотного синусоидального возбуждения.(a) Пиковое отклонение (\(u_y\vec {j}\)) на кончике, измеренное на (b) их соответствующих модальных частотах \(f_2\).(c) Эффективность передачи мощности (PTE, RMS, %) уравнения.(4) и (d) Коэффициент мощности отклонения (DPR, мкм/Вт), рассчитанный как размах отклонения и передаваемая электрическая мощность \(P_T\) (Wrms).
Типичный теневой график высокоскоростной камеры, показывающий размах отклонений (зеленые и красные пунктирные линии) ланцета (L) и осесимметричного наконечника (AX1–3) в воде (глубина 20 мм) в течение полупериода.цикл, на частоте возбуждения \(f_2\) (частота дискретизации 310 кГц).Захваченное изображение в оттенках серого имеет размер 128×128 пикселей и размер пикселя \(\приблизительно\) 5 мкм.Видео можно найти в дополнительной информации.
Таким образом, мы смоделировали изменение длины волны изгиба (рис. 7) и рассчитали переносимую механическую подвижность для сочетаний длины трубы и фаски (рис. 8, 9) для обычных стрельчатых, асимметричных и осесимметричных фасок геометрической формы.Исходя из последнего, мы оценили оптимальное расстояние 43 мм (или \(\приблизительно) 2,75\(\lambda_y\) при 29,75 кГц) от наконечника до сварного шва, как показано на рис. 5, и сделали три осесимметричных скосы с разной длиной скоса.Затем мы охарактеризовали их частотное поведение в воздухе, воде и 10% (мас./об.) баллистическом желатине по сравнению с обычными ланцетами (рис. 10, 11) и определили режим, наиболее подходящий для сравнения отклонения скоса.Наконец, мы измерили отклонение кончика изгибной волной в воздухе и воде на глубине 20 мм и количественно оценили эффективность передачи мощности (PTE, %) и коэффициент мощности отклонения (DPR, мкм/Вт) среды введения для каждого скоса.угловой тип (рис. 12).
Было показано, что геометрия скоса иглы влияет на величину отклонения кончика иглы.Ланцет достиг наибольшего отклонения и самого высокого DPR по сравнению с осесимметричным скосом с меньшим средним отклонением (рис. 12).Иглы с осесимметричным скосом 4 мм (AX1) с самым длинным скосом обеспечивали статистически значимое максимальное отклонение на воздухе по сравнению с другими иглами с осесимметричной фаской (AX2–3) (\(p < 0,017\), Таблица 2), но значимой разницы не было. .наблюдается при помещении иглы в воду.Таким образом, нет никакого очевидного преимущества в наличии большей длины фаски с точки зрения максимального отклонения на кончике.Принимая это во внимание, оказывается, что геометрия скоса, изучаемая в данном исследовании, оказывает большее влияние на величину прогиба, чем длина скоса.Это может быть связано с жесткостью при изгибе, например, в зависимости от общей толщины сгибаемого материала и конструкции иглы.
В экспериментальных исследованиях на величину отраженной изгибной волны влияют граничные условия зонда.Когда кончик иглы вставлен в воду и желатин, \(\text {PTE}_{2}\) составляет \(\приблизительно\) 95 %, а \(\text {PTE}_{ 2}\) составляет \ (\text {PTE}_{ 2}\) значения 73% и 77% для (\text {PTE}_{1}\) и \(\text {PTE}_{3}\), соответственно (рис. 11).Это указывает на то, что максимальная передача акустической энергии литейной среде, т. е. воде или желатину, происходит при \(f_2\).Аналогичное поведение наблюдалось в предыдущей работе31 с использованием более простой конфигурации устройства в диапазоне частот 41–43 кГц, в которой авторы показали зависимость коэффициента отражения напряжения от механического модуля заливочной среды.Глубина проникновения32 и механические свойства ткани создают механическую нагрузку на иглу и поэтому, как ожидается, будут влиять на резонансное поведение UZEFNAB.Таким образом, алгоритмы отслеживания резонанса (например, 17, 18, 33) могут использоваться для оптимизации акустической мощности, передаваемой через иглу.
Моделирование на изгибных длинах волн (рис. 7) показывает, что осесимметричный наконечник конструктивно более жесткий (т.е. более жесткий на изгиб), чем ланцетный и асимметричный скос.На основании (1) и с использованием известной зависимости скорости от частоты оценим изгибную жесткость на кончике иглы как \(\о\) 200, 20 и 1500 МПа для стрельчатой, асимметричной и осевой наклонных плоскостей соответственно.Это соответствует \(\lambda_y\) \(\приблизительно\) 5,3, 1,7 и 14,2 мм соответственно на частоте 29,75 кГц (рис. 7а–в).Учитывая клиническую безопасность во время USeFNAB, следует оценить влияние геометрии на структурную жесткость наклонной плоскости34.
Исследование параметров скоса в зависимости от длины трубы (рис. 9) показало, что оптимальная дальность передачи выше для несимметричного скоса (1,8 мм), чем для осесимметричного скоса (1,3 мм).Кроме того, подвижность стабильна при \(\приблизительно) от 4 до 4,5 мм и от 6 до 7 мм при асимметричном и осесимметричном наклонах соответственно (рис. 9а, б).Практическая значимость этого открытия выражается в производственных допусках: например, меньший диапазон оптимального TL может означать, что требуется большая точность длины.В то же время плато подвижности обеспечивает больший допуск по выбору длины провала на заданной частоте без существенного влияния на подвижность.
Исследование включает в себя следующие ограничения.Прямое измерение отклонения иглы с использованием обнаружения края и высокоскоростной визуализации (рис. 12) означает, что мы ограничены оптически прозрачными средами, такими как воздух и вода.Мы также хотели бы отметить, что мы не использовали эксперименты для проверки моделируемой подвижности переноса и наоборот, а использовали исследования FEM для определения оптимальной длины для изготовления иглы.Что касается практических ограничений, то длина ланцета от кончика до рукава примерно на 0,4 см больше, чем у других игл (АХ1-3), см. рис.3б.Это может повлиять на модальный отклик конструкции иглы.Кроме того, форма и объем припоя на конце волноводного вывода (см. рисунок 3) могут влиять на механический импеданс конструкции вывода, внося ошибки в механическое сопротивление и поведение при изгибе.
Наконец, мы продемонстрировали, что экспериментальная геометрия скоса влияет на величину отклонения в USeFNAB.Если большее отклонение будет иметь положительный эффект на воздействие иглы на ткань, например, на эффективность разрезания после прокалывания, то в USeFNAB можно рекомендовать обычный ланцет, поскольку он обеспечивает максимальное отклонение при сохранении достаточной жесткости структурного кончика..Более того, недавнее исследование35 показало, что большее отклонение кончика может усилить биологические эффекты, такие как кавитация, что может способствовать развитию минимально инвазивных хирургических операций.Учитывая, что увеличение общей акустической мощности, как было показано, увеличивает количество биопсий в USeFNAB13, необходимы дальнейшие количественные исследования количества и качества образцов для оценки детальных клинических преимуществ изученной геометрии иглы.