Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Dessutom, för att säkerställa löpande support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Reglage som visar tre artiklar per bild.Använd bakåt- och nästaknapparna för att flytta genom bilderna, eller skjutkontrollknapparna i slutet för att flytta genom varje bild.
Det har nyligen visat sig att användningen av ultraljud kan förbättra vävnadsutbytet vid ultraljudsförstärkt finnålsaspirationsbiopsi (USeFNAB) jämfört med konventionell finnålsaspirationsbiopsi (FNAB).Sambandet mellan fasgeometri och nålspetsverkan har ännu inte undersökts.I denna studie undersökte vi egenskaperna hos nålresonans och avböjningsamplitud för olika nålfasgeometrier med olika faslängder.Med användning av en konventionell lansett med ett snitt på 3,9 mm var spetsavböjningseffektfaktorn (DPR) 220 och 105 µm/W i luft respektive vatten.Detta är högre än den axisymmetriska 4 mm avfasade spetsen, som uppnådde en DPR på 180 och 80 µm/W i luft respektive vatten.Denna studie belyser betydelsen av förhållandet mellan böjstyvheten hos fasgeometrin i samband med olika införingshjälpmedel, och kan därmed ge insikt i metoder för att kontrollera skärverkan efter punktering genom att ändra nålfasgeometrin, vilket är viktigt för USeFNAB.Ansökan har betydelse.
Finnålsaspirationsbiopsi (FNAB) är en teknik där en nål används för att ta ett vävnadsprov när en abnormitet misstänks1,2,3.Spetsar av Franseen-typ har visat sig ge högre diagnostisk prestanda än traditionella Lancet4 och Menghini5 spetsar.Axisymmetriska (dvs perifera) avfasningar har också föreslagits för att öka sannolikheten för ett adekvat prov för histopatologi6.
Under en biopsi förs en nål genom lager av hud och vävnad för att avslöja misstänkt patologi.Nyligen genomförda studier har visat att ultraljudsaktivering kan minska punkteringskraften som krävs för att komma åt mjuka vävnader7,8,9,10.Nålfasgeometri har visat sig påverka nålinteraktionskrafter, t.ex. har längre avfasningar visat sig ha lägre vävnadspenetreringskrafter 11 .Det har föreslagits att efter att nålen har penetrerat vävnadsytan, dvs efter punktering, kan nålens skärkraft vara 75 % av den totala interaktionskraften mellan nål och vävnad12.Ultraljud (US) har visat sig förbättra kvaliteten på diagnostisk mjukdelsbiopsi i postpunktionsfasen13.Andra metoder för att förbättra benbiopsikvaliteten har utvecklats för provtagning av hårdvävnad14,15 men inga resultat har rapporterats som förbättrar biopsikvaliteten.Flera studier har också funnit att mekanisk förskjutning ökar med ökande ultraljudsdrivspänning16,17,18.Även om det finns många studier av axiella (längsgående) statiska krafter i nål-vävnadsinteraktioner19,20, är ​​studier på den tidsmässiga dynamiken och nålfasgeometrin i ultraljudsförstärkt FNAB (USeFNAB) begränsade.
Syftet med denna studie var att undersöka effekten av olika fasgeometrier på nålspetsverkan driven av nålflexion vid ultraljudsfrekvenser.I synnerhet undersökte vi effekten av injektionsmediet på nålspetsavböjning efter punktering för konventionella nålfasningar (t.ex. lansetter), axisymmetriska och asymmetriska enkelfasade geometrier (Fig. för att underlätta utvecklingen av USeFNAB-nålar för olika ändamål såsom selektiv sugning tillgång eller mjukvävnadskärnor.
Olika fasgeometrier inkluderades i denna studie.(a) Lansetter som överensstämmer med ISO 7864:201636 där \(\alpha\) är den primära avfasningsvinkeln, \(\theta\) är den sekundära avfasningsrotationsvinkeln och \(\phi\) är den sekundära avfasningsrotationsvinkeln i grader , i grader (\(^\circ\)).(b) linjära asymmetriska enstegsfasningar (kallade "standard" i DIN 13097:201937) och (c) linjära axisymmetriska (omkretsgående) enstegsfasningar.
Vårt tillvägagångssätt är att först modellera förändringen i böjningsvåglängden längs lutningen för konventionella lansett-, axisymmetriska och asymmetriska enstegslutningsgeometrier.Vi beräknade sedan en parametrisk studie för att undersöka effekten av avfasningsvinkel och rörlängd på transportmekanismens rörlighet.Detta görs för att bestämma den optimala längden för att göra en prototypnål.Baserat på simuleringen gjordes nålprototyper och deras resonansbeteende i luft, vatten och 10 % (vikt/volym) ballistiskt gelatin karakteriserades experimentellt genom att mäta spänningsreflektionskoefficienten och beräkna effektöverföringseffektiviteten, från vilken driftsfrekvensen var fast besluten..Slutligen används höghastighetsavbildning för att direkt mäta avböjningen av böjningsvågen vid spetsen av nålen i luft och vatten, och för att uppskatta den elektriska effekten som överförs av varje lutning och avböjningseffektfaktorns (DPR) geometri för den injicerade medium.
Som visas i figur 2a, använd nr. 21 rör (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm rörväggtjocklek, standardvägg enligt ISO 9626:201621) gjord av 316 rostfritt stål (Youngs modul 205).\(\text {GN/m}^{2}\), densitet 8070 kg/m\(^{3}\), Poissons förhållande 0,275).
Bestämning av böjningsvåglängden och avstämning av den finita elementmodellen (FEM) av nålen och randvillkor.(a) Bestämning av faslängd (BL) och rörlängd (TL).(b) Tredimensionell (3D) finita elementmodell (FEM) som använder harmonisk punktkraft \(\tilde{F}_y\vec{j}\) för att excitera nålen i den proximala änden, avleda punkten och mäta hastigheten per spets (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) för att beräkna den mekanistiska transportrörligheten.\(\lambda _y\) definieras som böjningsvåglängden associerad med den vertikala kraften \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Bestäm tyngdpunkten, tvärsnittsarean A och tröghetsmomenten \(I_{xx}\) och \(I_{yy}\) runt x-axeln respektive y-axeln.
Såsom visas i fig.2b,c, för en oändlig (oändlig) stråle med tvärsnittsarea A och vid en stor våglängd jämfört med storleken på strålens tvärsnitt, böjnings- (eller böjnings-) fashastigheten \(c_{EI}\ ) definieras som 22:
där E är Youngs modul (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) är excitationsvinkelfrekvensen (rad/s), där \( f_0 \ ) är den linjära frekvensen (1/s eller Hz), I är tröghetsmomentet för området runt intresseaxeln \((\text {m}^{4})\) och \(m'=\ rho _0 A \) är massan på längdenhet (kg/m), där \(\rho _0\) är densiteten \((\text {kg/m}^{3})\) och A är korset -sektionsarea av strålen (xy-plan) (\ (\text {m}^{2}\)).Eftersom den applicerade kraften i vårt fall är parallell med den vertikala y-axeln, dvs \(\tilde{F}_y\vec {j}\), är vi bara intresserade av tröghetsmomentet för området runt det horisontella x- axel, dvs \(I_{xx} \), Det är därför:
För den finita elementmodellen (FEM) antas en ren övertonsförskjutning (m), så accelerationen (\(\text {m/s}^{2}\)) uttrycks som \(\partial ^2 \vec { u}/ \ partiell t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), t.ex. \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) är en tredimensionell förskjutningsvektor definierad i rumsliga koordinater.Genom att ersätta den senare med den ändligt deformerbara lagrangiska formen av momentumbalanslagen23, enligt dess implementering i mjukvarupaketet COMSOL Multiphysics (versionerna 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, USA), ger:
Där \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) är tensor-divergensoperatorn, och \({\underline{\sigma}}\) är den andra Piola-Kirchhoff-spänningstensorn (andra ordningen, \(\ text { N /m}^{2}\)), och \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) är vektorn för kroppskraften (\(\text {N/m}^{3}\)) för varje deformerbar volym, och \(e^{j\phi }\) är fasen av kroppskraft, har en fasvinkel \(\ phi\) (rad).I vårt fall är kroppens volymkraft noll, och vår modell antar geometrisk linjäritet och små rent elastiska deformationer, dvs \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), där \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) och \({\underline{ \varepsilon}}\) – elastisk deformation respektive total deformation (dimensionlös av andra ordningen).Hookes konstitutiva isotropiska elasticitetstensor \(\underline {\underline {C))\) erhålls med hjälp av Youngs modul E(\(\text{N/m}^{2}\)) och Poissons förhållande v definieras, så att \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (fjärde ordningen).Så spänningsberäkningen blir \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Beräkningarna utfördes med 10-nods tetraedriska element med elementstorlek \(\le\) 8 µm.Nålen modelleras i vakuum och det mekaniska rörlighetsöverföringsvärdet (ms-1 H-1) definieras som \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, där \(\tilde{v}_y\vec {j}\) är handstyckets utgående komplexa hastighet, och \( \tilde{ F} _y\vec {j }\) är en komplex drivkraft placerad vid den proximala änden av röret, som visas i fig. 2b.Transmissiv mekanisk rörlighet uttrycks i decibel (dB) med maxvärdet som referens, dvs. \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Alla FEM-studier utfördes med en frekvens på 29,75 kHz.
Nålens design (fig. 3) består av en konventionell 21 gauge injektionsnål (katalognummer: 4665643, Sterican\(^\circledR\), med en ytterdiameter på 0,8 mm, en längd på 120 mm, gjord av AISI krom-nickel rostfritt stål 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Tyskland) placerade en plast Luer Lock-hylsa gjord av polypropen proximalt med en motsvarande spetsmodifiering.Nålröret löds fast vid vågledaren som visas i fig. 3b.Vågledaren trycktes på en 3D-skrivare av rostfritt stål (EOS Stainless Steel 316L på en EOS M 290 3D-skrivare, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finland) och fästes sedan på Langevin-sensorn med M4-bultar.Langevin-givaren består av 8 piezoelektriska ringelement med två vikter i varje ände.
De fyra typerna av spetsar (bilden), en kommersiellt tillgänglig lansett (L) och tre tillverkade axisymmetriska enstegsfasningar (AX1–3) karakteriserades av faslängder (BL) på 4, 1,2 respektive 0,5 mm.(a) Närbild av den färdiga nålspetsen.(b) Ovanifrån av fyra stift lödda till en 3D-tryckt vågledare och sedan anslutna till Langevin-sensorn med M4-bultar.
Tre axisymmetriska avfasningsspetsar (fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) tillverkades med faslängder (BL, bestämda i fig. 2a) på 4,0, 1,2 och 0,5 mm, motsvarande \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) och 18\(^\circ\).Vågledaren och stylusvikterna är 3,4 ± 0,017 g (medelvärde ± SD, n = 4) för fas L respektive AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Tyskland) .Den totala längden från spetsen av nålen till änden av plasthylsan är 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm för avfasningen L respektive AX1-3 i figur 3b.
För alla nålkonfigurationer är längden från spetsen på nålen till vågledarens spets (dvs lödarea) 4,3 cm, och nålröret är orienterat så att avfasningen är vänd uppåt (dvs parallell med Y-axeln) ).som i (Fig. 2).
Ett anpassat skript i MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, USA) som kördes på en dator (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, USA) användes för att generera ett linjärt sinusformigt svep från 25 till 35 kHz på 7 sekunder, omvandlas till en analog signal av en digital-till-analog (DA)-omvandlare (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, USA).Den analoga signalen \(V_0\) (0,5 Vp-p) förstärktes sedan med en dedikerad radiofrekvens (RF) förstärkare (Mariachi Oy, Åbo, Finland).Den fallande förstärkarspänningen \({V_I}\) matas ut från RF-förstärkaren med en utgångsimpedans på 50 \(\Omega\) till en transformator inbyggd i nålstrukturen med en ingångsimpedans på 50 \(\Omega)\) Langevin-givare (främre och bakre piezoelektriska givare i flera lager, laddade med massa) används för att generera mekaniska vågor.Den anpassade RF-förstärkaren är utrustad med en dual-channel standing wave power factor (SWR) mätare som kan detektera infallande \({V_I}\) och reflekterad förstärkt spänning \(V_R\) genom en 300 kHz analog-till-digital (AD) ) omvandlare (Analog Discovery 2).Excitationssignalen är amplitudmodulerad i början och i slutet för att förhindra överbelastning av förstärkaringången med transienter.
Med hjälp av ett anpassat skript implementerat i MATLAB, antar frekvenssvarsfunktionen (AFC), dvs. ett linjärt stationärt system.Använd också ett 20 till 40 kHz bandpassfilter för att ta bort eventuella oönskade frekvenser från signalen.Med hänvisning till transmissionsledningsteorin är \(\tilde{H}(f)\) i detta fall ekvivalent med spänningsreflektionskoefficienten, dvs. \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Eftersom förstärkarens utgångsimpedans \(Z_0\) motsvarar ingångsimpedansen för omvandlarens inbyggda transformator, och den elektriska effektreflektionskoefficienten \({P_R}/{P_I}\) reduceras till \( {V_R }^ 2/{V_I}^2\ ) är lika med \ (|\rho _{V}|^2\).I det fall där det absoluta värdet av elektrisk effekt krävs, beräkna infallande \(P_I\) och reflekterad\(P_R\) effekt (W) genom att ta rotmedelvärdet (rms) för motsvarande spänning, till exempel, för en transmissionsledning med sinusformad excitation, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, där \(Z_0\) är lika med 50 \(\Omega\).Den elektriska effekten som levereras till lasten \(P_T\) (dvs. det insatta mediet) kan beräknas som \(|P_I – P_R |\) (W RMS) och effektöverföringseffektiviteten (PTE) kan definieras och uttryckas som en procent (%) ger alltså 27:
Frekvenssvaret används sedan för att uppskatta de modala frekvenserna \(f_{1-3}\) (kHz) för penndesignen och motsvarande effektöverföringseffektivitet, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) uppskattas direkt från \(\text {PTE}_{1{-}3}\), från tabell 1 frekvenser \(f_{1-3}\) som beskrivs i .
En metod för att mäta frekvenssvaret (AFC) för en nålformig struktur.Dubbelkanalig svepsinusmätning25,38 används för att erhålla frekvenssvarsfunktionen \(\tilde{H}(f)\) och dess impulssvar H(t).\({\mathcal {F}}\) och \({\mathcal {F}}^{-1}\) betecknar den numeriska trunkerade Fouriertransformen respektive den inversa transformationsoperationen.\(\tilde{G}(f)\) betyder att de två signalerna multipliceras i frekvensdomänen, t.ex. \(\tilde{G}_{XrX}\) betyder invers scan\(\tilde{X} r( f )\) och spänningsfallssignalen \(\tilde{X}(f)\).
Såsom visas i fig.5, höghastighetskamera (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, USA) utrustad med ett makroobjektiv (MP-E 65mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc. ., Tokyo, Japan) användes för att registrera avböjningen av en nålspets utsatt för böjexcitation (enkelfrekvens, kontinuerlig sinusform) vid en frekvens på 27,5–30 kHz.För att skapa en skuggkarta placerades ett kylt element av en vit LED med hög intensitet (artikelnummer: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Tyskland) bakom nålens avfasning.
Framifrån av experimentuppställningen.Djupet mäts från mediaytan.Nålstrukturen är fastklämd och monterad på ett motoriserat överföringsbord.Använd en höghastighetskamera med en lins med hög förstoring (5\(\ gånger\)) för att mäta avböjningen av den avfasade spetsen.Alla mått är i millimeter.
För varje typ av nålfasning spelade vi in ​​300 höghastighetskameraramar på 128 \(\x\) 128 pixlar, var och en med en rumslig upplösning på 1/180 mm (\(\ca) 5 µm), med en tidsupplösning på 310 000 bilder per sekund.Som visas i figur 6, beskärs varje bildruta (1) (2) så att spetsen är på den sista raden (botten) av ramen, och sedan beräknas histogrammet för bilden (3), så Canny tröskelvärden 1 och 2 kan bestämmas.Använd sedan Canny28(4) kantdetektering med Sobel-operatorn 3 \(\times\) 3 och beräkna pixelpositionen för den icke-kavitationella hypotenusan (märkt \(\mathbf {\times }\)) för alla 300-faldiga steg .För att bestämma spännvidden av avböjningen i slutet, beräknas derivatan (med användning av den centrala skillnadsalgoritmen) (6) och ramen som innehåller de lokala extrema (dvs toppen) av avböjningen (7) identifieras.Efter visuell inspektion av den icke-kaviterande kanten valdes ett par ramar (eller två ramar åtskilda med en halv tidsperiod) (7) och spetsböjningen mättes (märkt \(\mathbf {\times} \ ) Ovanstående implementerades i Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) med OpenCV Canny edge-algoritmen (v4.5.1, öppen källkodsdatabibliotek, opencv.org) (P_T \) (W, rms) .
Spetsböjning mättes med en serie bilder tagna från en höghastighetskamera vid 310 kHz med en 7-stegs algoritm (1-7) inklusive inramning (1-2), Canny edge-detektering (3-4), pixelplaceringskant beräkning (5) och deras tidsderivator (6), och slutligen topp-till-topp spetsböjning mättes på visuellt inspekterade par av ramar (7).
Mätningar gjordes i luft (22,4-22,9°C), avjoniserat vatten (20,8-21,5°C) och ballistiskt gelatin 10% (vikt/volym) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Bovint and Pork Bone Gelatin for Type I Ballistic Analysis, Honeywell International, North Carolina, USA).Temperaturen mättes med en termoelementförstärkare av K-typ (AD595, Analog Devices Inc., MA, USA) och ett termoelement av K-typ (Fluke 80PK-1 Bead Probe nr. 3648 typ-K, Fluke Corporation, Washington, USA).Från mediet Djupet mättes från ytan (inställt som z-axelns ursprung) med användning av ett vertikalt motoriserat z-axelsteg (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Litauen) med en upplösning på 5 µm.per steg.
Eftersom urvalsstorleken var liten (n = 5) och normalitet inte kunde antas, användes ett två-stjärts Wilcoxon ranksummetest med två urval (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) för att jämföra mängden varians nålspets för olika avfasningar.Det gjordes 3 jämförelser per lutning, så en Bonferroni-korrigering tillämpades med en justerad signifikansnivå på 0,017 och en felfrekvens på 5 %.
Låt oss nu gå över till Fig.7.Vid en frekvens på 29,75 kHz är den böjande halvvågen (\(\lambda_y/2\)) för en 21-gauge nål \(\ungefär) 8 mm.När man närmar sig spetsen minskar böjningsvåglängden längs den sneda vinkeln.Vid spetsen \(\lambda _y/2\) \(\ungefär\) finns steg på 3, 1 och 7 mm för den vanliga lansettlika (a), asymmetriska (b) och axisymmetriska (c) lutningen av en enda nål , respektive.Detta betyder alltså att lansettens räckvidd är \(\ungefär) 5 mm (beroende på att lansettens två plan bildar en enda punkt29,30), den asymmetriska avfasningen är 7 mm, den asymmetriska avfasningen är 1 mm.Axisymmetriska sluttningar (tyngdpunkten förblir konstant, så endast rörväggens tjocklek ändras faktiskt längs sluttningen).
FEM-studier och tillämpning av ekvationer vid en frekvens av 29,75 kHz.(1) Vid beräkning av variationen av böjningshalvvågen (\(\lambda_y/2\)) för lansett (a), asymmetriska (b) och axisymmetriska (c) fasgeometrier (som i fig. 1a,b,c) ) .Medelvärdet \(\lambda_y/2\) för lansettens, asymmetriska och axisymmetriska avfasningar var 5,65, 5,17 respektive 7,52 mm.Observera att spetstjockleken för asymmetriska och axisymmetriska avfasningar är begränsad till \(\ca) 50 µm.
Topprörlighet \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) är den optimala kombinationen av rörlängd (TL) och faslängd (BL) (Fig. 8, 9).För en konventionell lansett, eftersom dess storlek är fixerad, är den optimala TL \(\ungefär) 29,1 mm (fig. 8).För asymmetriska och axisymmetriska avfasningar (fig. 9a, b) inkluderade FEM-studier BL från 1 till 7 mm, så den optimala TL var från 26,9 till 28,7 mm (intervall 1,8 mm) och från 27,9 till 29,2 mm (intervall 1,3 mm).För den asymmetriska lutningen (fig. 9a) ökade den optimala TL linjärt, nådde en platå vid BL 4 mm och minskade sedan kraftigt från BL 5 till 7 mm.För en axisymmetrisk avfasning (fig. 9b) ökade den optimala TL linjärt med ökande BL och stabiliserades slutligen vid BL från 6 till 7 mm.En utökad studie av axisymmetrisk lutning (Fig. 9c) avslöjade en annan uppsättning optimala TL vid \(\approx) 35,1–37,1 mm.För alla BL:er är avståndet mellan de två bästa TL:erna \(\approx\) 8 mm (motsvarande \(\lambda_y/2\)).
Lancetöverföringsrörlighet vid 29,75 kHz.Nålen exciterades flexibelt vid en frekvens av 29,75 kHz och vibrationer mättes vid spetsen av nålen och uttrycktes som mängden överförd mekanisk rörlighet (dB i förhållande till maxvärdet) för TL 26,5-29,5 mm (i steg om 0,1 mm) .
Parametriska studier av FEM vid en frekvens av 29,75 kHz visar att överföringsrörligheten hos en axisymmetrisk spets påverkas mindre av en förändring i rörets längd än dess asymmetriska motsvarighet.Faslängd (BL) och rörlängd (TL) studier av asymmetriska (a) och axisymmetriska (b, c) avfasningsgeometrier i frekvensdomänstudien med användning av FEM (randvillkor visas i fig. 2).(a, b) TL varierade från 26,5 till 29,5 mm (0,1 mm steg) och BL 1–7 mm (0,5 mm steg).(c) Utökade axelsymmetriska lutningsstudier inklusive TL 25–40 mm (i steg om 0,05 mm) och BL 0,1–7 mm (i steg om 0,1 mm) som visar att \(\lambda_y/2\ ) måste uppfylla kraven för spetsen.rörliga randvillkor.
Nålkonfigurationen har tre egenfrekvenser \(f_{1-3}\) uppdelade i låg-, medel- och höglägesregioner som visas i tabell 1. PTE-storleken registrerades som visas i fig.10 och analyseras sedan i fig. 11. Nedan är resultaten för varje modalt område:
Typiska registrerade amplituder för momentan effektöverföringseffektivitet (PTE) erhålls med sinusformad excitation med svepfrekvens för en lansett (L) och axisymmetrisk avfasning AX1-3 i luft, vatten och gelatin på ett djup av 20 mm.Ensidiga spektra visas.Det uppmätta frekvenssvaret (samplade vid 300 kHz) lågpassfiltrerades och skalades sedan ned med en faktor 200 för modal analys.Signal-brusförhållandet är \(\le\) 45 dB.PTE-faser (lila streckade linjer) visas i grader (\(^{\circ}\)).
Den modala responsanalysen (medelvärde ± standardavvikelse, n = 5) som visas i fig. 10, för sluttningar L och AX1-3, i luft, vatten och 10 % gelatin (djup 20 mm), med (överst) tre modala regioner ( låg, medel och hög) och deras motsvarande modala frekvenser\(f_{1-3 }\) (kHz), (medel) energieffektivitet \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Beräknat med ekvivalenter .(4) och (botten) full bredd vid halva maximala mått \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz), respektive.Observera att bandbreddsmätningen hoppades över när en låg PTE registrerades, dvs \(\text {FWHM}_{1}\) vid AX2-lutning.Läget \(f_2\) visade sig vara det mest lämpliga för att jämföra lutningsavvikelser, eftersom det visade den högsta nivån av effektöverföringseffektivitet (\(\text {PTE}_{2}\)), upp till 99 %.
Första modala regionen: \(f_1\) beror inte mycket på typen av medium som infogas, utan beror på lutningens geometri.\(f_1\) minskar med minskande faslängd (27,1, 26,2 respektive 25,9 kHz i luft för AX1-3).De regionala medelvärdena \(\text {PTE}_{1}\) och \(\text {FWHM}_{1}\) är \(\approx\) 81 % respektive 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) har det högsta gelatininnehållet i lansetten (L, 473 Hz).Observera att \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 i gelatin inte kunde utvärderas på grund av den låga registrerade FRF-amplituden.
Den andra modala regionen: \(f_2\) beror på typen av media som är isatt och avfasningen.Medelvärden \(f_2\) är 29,1, 27,9 och 28,5 kHz i luft, vatten respektive gelatin.Denna modala region visade också en hög PTE på 99 %, den högsta av alla uppmätta grupper, med ett regionalt genomsnitt på 84 %.\(\text {FWHM}_{2}\) har ett regionalt medelvärde på \(\approximately\) 910 Hz.
Region för tredje läge: frekvens \(f_3\) beror på mediatyp och fas.Genomsnittliga \(f_3\) värden är 32,0, 31,0 och 31,3 kHz i luft, vatten respektive gelatin.Det regionala genomsnittet för \(\text {PTE}_{3}\) var \(\approximately\) 74 %, det lägsta av någon region.Det regionala genomsnittet \(\text {FWHM}_{3}\) är \(\approximately\) 1085 Hz, vilket är högre än de första och andra områdena.
       Följande hänvisar till fig.12 och Tabell 2. Lansetten (L) böjde sig mest (med hög signifikans för alla spetsar, \(p<\) 0,017) i både luft och vatten (Fig. 12a), och uppnådde högsta DPR (upp till 220 µm/ W i luften). 12 och Tabell 2. Lansetten (L) böjde sig mest (med hög signifikans för alla spetsar, \(p<\) 0,017) i både luft och vatten (Fig. 12a), och uppnådde högsta DPR (upp till 220 µm/ W i luften). Следующее относится к рисунку 12 och таблице ов, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого DPR . Följande gäller för figur 12 och tabell 2. Lancet (L) avböjde mest (med hög signifikans för alla spetsar, \(p<\) 0,017) i både luft och vatten (fig. 12a), och uppnådde högsta DPR .(gör 220 μm/W i luft).Smt.Figur 12 och Tabell 2 nedan.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 högsta avböjningen i luft och vatten (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a), och uppnådde den högsta DPR (upp till 220/W i µm) luft). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) 0,017) возидух, 20 år ибольшего DPR (upp till 220 мкм/Вт в воздухе). Lancet (L) avböjde mest (hög signifikans för alla spetsar, \(p<\) 0,017) i luft och vatten (Fig. 12a), och nådde högsta DPR (upp till 220 µm/W i luft). I luft avböjde AX1 som hade högre BL högre än AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), medan AX3 (som hade lägst BL) avböjde mer än AX2 med en DPR på 190 µm/W. I luft avböjde AX1 som hade högre BL högre än AX2–3 (med signifikans, \(p<\) 0,017), medan AX3 (som hade lägst BL) avböjde mer än 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 avböjde AX1 med högre BL högre än AX2–3 (med signifikans \(p<\) 0,017), medan AX3 (med lägst BL) avböjde mer än 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，轈倽AX），转更高（具有显着性，\(p<\) 0,017．AX）偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W . I luft är nedböjningen av AX1 med högre BL högre än den för AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), och nedböjningen av AX3 (med lägst BL) är större än för AX2, DPR är 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогда каки сан (мисам 3). тся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. I luft avböjer AX1 med högre BL mer än AX2-3 (signifikant, \(p<\) 0,017), medan AX3 (med lägst BL) avböjer mer än AX2 med DPR 190 µm/W.Vid 20 mm vatten var nedböjningen och PTE AX1–3 inte signifikant olika (\(p>\) 0,017).Nivåerna av PTE i vatten (90,2–98,4 %) var generellt högre än i luft (56–77,5 %) (fig. 12c), och fenomenet kavitation noterades under experimentet i vatten (fig. 13, se även tillägg) information).
Mängden spetsböjning (medelvärde ± SD, n = 5) uppmätt för fas L och AX1-3 i luft och vatten (djup 20 mm) visar effekten av att ändra fasgeometri.Mätningarna erhölls med användning av kontinuerlig sinusformad excitation med enkel frekvens.(a) Topp till toppavvikelse (\(u_y\vec {j}\)) vid spetsen, mätt vid (b) deras respektive modala frekvenser \(f_2\).(c) Effektöverföringseffektivitet (PTE, RMS, %) av ekvationen.(4) och (d) Avböjningseffektfaktor (DPR, µm/W) beräknad som avvikelse topp-till-topp och överförd elektrisk effekt \(P_T\) (Wrms).
En typisk höghastighetskameras skuggplot som visar topp-till-topp-avvikelsen (gröna och röda streckade linjer) för en lansett (L) och axelsymmetrisk spets (AX1–3) i vatten (20 mm djup) över en halv cykel.cykel, vid excitationsfrekvens \(f_2\) (samplingsfrekvens 310 kHz).Den tagna gråskalebilden har en storlek på 128×128 pixlar och en pixelstorlek på \(\approx\) 5 µm.Video finns i ytterligare information.
Således modellerade vi förändringen i böjvåglängden (fig. 7) och beräknade den överförbara mekaniska rörligheten för kombinationer av rörlängd och avfasning (fig. 8, 9) för konventionella lansett-, asymmetriska och axisymmetriska avfasningar med geometriska former.Baserat på det sistnämnda uppskattade vi det optimala avståndet på 43 mm (eller \(\ungefär) 2,75\(\lambda _y\) vid 29,75 kHz) från spetsen till svetsen, som visas i fig. 5, och gjorde tre-axisymmetriska fasar med olika faslängder.Vi karakteriserade sedan deras frekvensbeteende i luft, vatten och 10 % (vikt/volym) ballistiskt gelatin jämfört med konventionella lansetter (figur 10, 11) och bestämde det läge som var mest lämpligt för jämförelse av avfasningsavböjning.Slutligen mätte vi spetsböjning genom att böja våg i luft och vatten på ett djup av 20 mm och kvantifierade effektöverföringseffektiviteten (PTE, %) och avböjningseffektfaktorn (DPR, µm/W) för införingsmediet för varje fas.vinkeltyp (fig. 12).
Nålfasgeometri har visat sig påverka mängden nålspetsavböjning.Lansetten uppnådde den högsta avböjningen och den högsta DPR jämfört med den axisymmetriska avfasningen med lägre medelavböjning (Fig. 12).Den 4 mm axisymmetriska avfasningen (AX1) med den längsta avfasningen uppnådde en statistiskt signifikant maximal avböjning i luft jämfört med de andra axisymmetriska nålarna (AX2–3) (\(p < 0,017\), tabell 2), men det fanns ingen signifikant skillnad .observeras när nålen placeras i vatten.Det finns således ingen uppenbar fördel med att ha en längre avfasningslängd vad gäller toppavböjning vid spetsen.Med detta i åtanke visar det sig att geometrin på den avfasning som studeras i denna studie har större inflytande på mängden avböjning än avfasningens längd.Detta kan bero på böjstyvhet, till exempel beroende på den totala tjockleken på materialet som böjs och nålens utformning.
I experimentella studier påverkas storleken på den reflekterade böjningsvågen av spetsens randvillkor.När nålspetsen förs in i vatten och gelatin är \(\text {PTE}_{2}\) \(\ungefär\) 95 % och \(\text {PTE}_{ 2}\) är \ (\text {PTE}_{ 2}\) värdena är 73% och 77% för (\text {PTE}_{1}\) och \(\text {PTE}_{3}\), respektive (Fig. 11).Detta indikerar att den maximala överföringen av akustisk energi till gjutmediet, dvs vatten eller gelatin, sker vid \(f_2\).Liknande beteende observerades i en tidigare studie31 med en enklare enhetskonfiguration i frekvensområdet 41-43 kHz, där författarna visade beroendet av spänningsreflektionskoefficienten på den mekaniska modulen hos det inbäddade mediet.Penetrationsdjupet32 och vävnadens mekaniska egenskaper ger en mekanisk belastning på nålen och förväntas därför påverka resonansbeteendet hos UZEFNAB.Således kan resonansspårningsalgoritmer (t.ex. 17, 18, 33) användas för att optimera den akustiska kraften som levereras genom nålen.
Simulering vid böjningsvåglängder (fig. 7) visar att den axisymmetriska spetsen är strukturellt styvare (dvs styvare i böjning) än lansetten och den asymmetriska avfasningen.Baserat på (1) och med den kända hastighet-frekvensrelationen uppskattar vi böjstyvheten vid spetsen av nålen till \(\ca\) 200, 20 och 1500 MPa för lansett-, asymmetriska respektive axiellt lutande plan.Detta motsvarar \(\lambda_y\) av \(\ungefär\) 5,3, 1,7 respektive 14,2 mm vid 29,75 kHz (fig. 7a–c).Med tanke på klinisk säkerhet under USeFNAB bör effekten av geometri på den strukturella styvheten hos det lutande planet utvärderas34.
En studie av avfasningsparametrarna i förhållande till rörlängden (fig. 9) visade att det optimala transmissionsområdet var högre för den asymmetriska avfasningen (1,8 mm) än för den axisymmetriska avfasningen (1,3 mm).Dessutom är rörligheten stabil vid \(\ungefär) från 4 till 4,5 mm och från 6 till 7 mm för asymmetriska respektive axisymmetriska lutningar (fig. 9a, b).Den praktiska betydelsen av denna upptäckt uttrycks i tillverkningstoleranser, till exempel kan ett lägre intervall för optimal TL innebära att större längdnoggrannhet krävs.Samtidigt ger rörlighetsplatån en större tolerans för val av längd på doppet vid en given frekvens utan att rörligheten påverkas avsevärt.
Studien inkluderar följande begränsningar.Direkt mätning av nålavböjning med hjälp av kantdetektering och höghastighetsavbildning (Figur 12) gör att vi är begränsade till optiskt transparenta medier som luft och vatten.Vi vill också påpeka att vi inte använde experiment för att testa den simulerade överföringsrörligheten och vice versa, utan använde FEM-studier för att bestämma den optimala längden för nåltillverkning.Med hänsyn till praktiska begränsningar är lansettens längd från spets till hylsa \(\ungefär) 0,4 cm längre än andra nålar (AX1-3), se fig.3b.Detta kan påverka den modala responsen hos nåldesignen.Dessutom kan formen och volymen av lod i änden av ett vågledarstift (se figur 3) påverka den mekaniska impedansen hos stiftdesignen, vilket introducerar fel i den mekaniska impedansen och böjningsbeteendet.
Slutligen har vi visat att den experimentella avfasningsgeometrin påverkar mängden avböjning i USeFNAB.Om en större nedböjning skulle ha en positiv effekt på nålens effekt på vävnaden, såsom skäreffektivitet efter piercing, kan en konventionell lansett rekommenderas i USeFNAB eftersom den ger maximal nedböjning samtidigt som den bibehåller tillräcklig styvhet i den strukturella spetsen..Dessutom har en nyligen genomförd studie35 visat att större spetsböjning kan förstärka biologiska effekter som kavitation, vilket kan underlätta utvecklingen av minimalt invasiva kirurgiska tillämpningar.Med tanke på att ökande total akustisk kraft har visat sig öka antalet biopsier i USeFNAB13, behövs ytterligare kvantitativa studier av provkvantitet och kvalitet för att bedöma de detaljerade kliniska fördelarna med den studerade nålgeometrin.